Nghiên cứu, thi công mô hình hệ thống điều khiển điều hòa không khí tự động trên xe Kia Morning

Đồ án thi công mô hình hệ thống điều khiển điều hòa tự động trên xe Kia Morning ĐH SPKT TPHCM

• Tác giả: Hoàng Thanh Quan
• 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: Nghiên cứu, thi công mô hình hệ thống điều khiển điều hòa không khí tự động trên xe Kia Morning
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống điều hòa tự động xe Kia Morning

Hệ thống điều hòa không khí tự động trên xe Kia Morning (2011–2015) là một trong những hệ thống kỹ thuật phức tạp nhất trên dòng xe phổ thông tại Việt Nam. Hệ thống này hoạt động theo nguyên lý điều khiển vòng kín, tự động điều chỉnh nhiệt độ cabin mà không cần can thiệp thủ công. Khác với hệ thống điều hòa thủ công truyền thống, hệ thống tự động sử dụng nhiều cảm biến để thu thập dữ liệu môi trường. Dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ ngoài trời, nhiệt độ trong xe và cảm biến bức xạ mặt trời được gửi liên tục về AC Control Module. Bộ điều khiển này xử lý tín hiệu và ra lệnh điều chỉnh các cơ cấu chấp hành một cách chính xác. Đề án tốt nghiệp của sinh viên Hoàng Thanh Quan và Nguyễn Khắc Thành Đạt tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã nghiên cứu chuyên sâu hệ thống này. Nhóm tác giả đã xây dựng thành công mô hình giả lập tín hiệu toàn diện. Mô hình phục vụ mục đích học tập, nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật viên chuyên ngành công nghệ ô tô. Đây là công trình có giá trị thực tiễn cao trong lĩnh vực giáo dục kỹ thuật ô tô.

1.1. Cấu trúc tổng thể của hệ thống điều hòa tự động

Hệ thống điều hòa tự động trên xe Kia Morning bao gồm ba khu vực chức năng rõ ràng. Khu vực thứ nhất là nguồn cấp điện, cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống. Khu vực thứ hai là tín hiệu cảm biến, thu thập dữ liệu từ môi trường trong và ngoài xe. Khu vực thứ ba là cơ cấu chấp hành, thực hiện lệnh điều khiển từ AC Control Module. Ba khu vực phối hợp chặt chẽ tạo nên vòng điều khiển khép kín, đảm bảo nhiệt độ cabin luôn ổn định theo giá trị đặt.

1.2. Chu trình làm lạnh và nguyên lý nhiệt động học

Chu trình làm lạnh hoạt động theo nguyên lý nhiệt động học cơ bản. Môi chất lạnh ở dạng lỏng áp suất cao bay hơi qua van tiết lưu, chuyển thành khí áp suất thấp. Quá trình bay hơi hấp thụ nhiệt từ không khí xung quanh giàn lạnh, làm giảm nhiệt độ luồng khí thổi vào cabin. Môi chất sau đó được máy nén hút về, nén lên áp suất cao và giải nhiệt tại giàn nóng. Chu trình lặp liên tục đảm bảo hiệu quả làm lạnh ổn định.

II. Phân tích các thành phần và cảm biến điều khiển tự động

Hệ thống điều khiển điều hòa tự động trên xe Kia Morning vận hành dựa trên sự tương tác của nhiều thành phần điện tử quan trọng. Máy nén là bộ phận trung tâm của chu trình lạnh, quyết định công suất và tuổi thọ toàn hệ thống. Ly hợp từ của máy nén được điều khiển gián tiếp thông qua PCM sau khi nhận đủ tín hiệu từ AC Control Module qua giao tiếp CAN. AC Control Module đóng vai trò não bộ của hệ thống, xử lý tín hiệu đầu vào và phát lệnh điều khiển đầu ra. Cảm biến nhiệt độ trong xe được tích hợp trực tiếp bên trong AC Control Module, giúp đo nhiệt độ cabin liên tục. Cảm biến bức xạ mặt trời phát hiện cường độ ánh nắng chiếu vào cabin. Cảm biến nhiệt độ giàn lạnh bảo vệ hệ thống khỏi hiện tượng đóng băng. Motor cánh trộn gió, motor chia gió và motor dẫn gió vào được AC Control Module điều khiển trực tiếp. Quạt giàn lạnh được điều khiển qua MOSFET, với tín hiệu phản hồi đảm bảo tốc độ quạt phù hợp với yêu cầu làm lạnh. Sự phối hợp chính xác giữa các thành phần này tạo nên hệ thống điều khiển thông minh và hiệu quả.

2.1. Vai trò của AC Control Module trong điều khiển tự động

AC Control Module là trung tâm xử lý của toàn bộ hệ thống điều hòa tự động. Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ ba nguồn cảm biến chính: nhiệt độ ngoài trời, nhiệt độ giàn lạnh và bức xạ mặt trời. Cảm biến nhiệt độ cabin được tích hợp sẵn bên trong module, đảm bảo độ chính xác cao. Sau khi xử lý dữ liệu, AC Control Module phát lệnh điều khiển đến motor trộn gió thông qua hai chân COOL và WARM. Tín hiệu phản hồi vị trí từ motor gửi về qua chân F/B TEMP giúp module xác nhận trạng thái thực tế.

2.2. Motor trộn gió và cơ chế điều chỉnh nhiệt độ

Motor trộn gió hoạt động theo nguyên lý tương tự motor bước, di chuyển đến từng vị trí cụ thể theo lệnh của AC Control Module. Khác với motor một chiều thông thường, motor trộn gió thực hiện điều khiển đảo chiều chính xác dựa trên dữ liệu cảm biến tổng hợp. Vị trí cánh trộn gió quyết định tỷ lệ pha trộn giữa luồng khí lạnh qua giàn lạnh và luồng khí nóng qua két sưởi. Điều này cho phép hệ thống đạt nhiệt độ cabin đặt trước một cách chính xác, kể cả trong điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột.

III. Phương pháp thi công mô hình giả lập hệ thống điều hòa

Việc xây dựng mô hình giả lập hệ thống điều hòa tự động xe Kia Morning đòi hỏi quy trình kỹ thuật chặt chẽ và có hệ thống. Nhóm nghiên cứu đã tham khảo tài liệu gốc Kia Morning Workshop Manual 2011–2017 làm cơ sở dữ liệu kỹ thuật. Giai đoạn đầu tập trung nghiên cứu lý thuyết hệ thống điều hòa không khí ô tô, xây dựng nền tảng kiến thức vững chắc. Tiếp theo, nhóm phân tích chi tiết hệ thống điều hòa tự động đặc thù trên dòng xe Kia Morning (2011–2015). Mô hình được thiết kế với đầy đủ ba khu vực chức năng: nguồn cấp, tín hiệu cảm biến và cơ cấu chấp hành. Các cảm biến thực tế được tích hợp vào mô hình để tạo tín hiệu giả lập chân thực. Mạch điện được đấu nối theo sơ đồ nguyên bản từ tài liệu kỹ thuật chính hãng. Sau khi thi công, nhóm tiến hành thử nghiệm kiểm tra từng chức năng điều khiển. Kết quả thử nghiệm được đánh giá theo tiêu chí kỹ thuật cụ thể. Mô hình hoàn chỉnh kèm hướng dẫn sử dụng chi tiết phục vụ mục đích đào tạo.

3.1. Thiết kế sơ đồ mạch điện và lựa chọn linh kiện

Sơ đồ mạch điện của mô hình được xây dựng theo ba phân vùng chức năng rõ ràng. Phân vùng nguồn cấp bao gồm các chân cấp dương và chân ground của AC Control Module. Phân vùng tín hiệu cảm biến kết nối cảm biến nhiệt độ môi trường, nhiệt độ giàn lạnh và cảm biến bức xạ mặt trời. Phân vùng cơ cấu chấp hành tích hợp các motor điều khiển cánh gió và mạch điều khiển MOSFET quạt giàn lạnh. Linh kiện được lựa chọn theo thông số kỹ thuật chuẩn từ tài liệu chính hãng.

3.2. Quy trình thử nghiệm và đánh giá mô hình

Quy trình thử nghiệm mô hình được thực hiện theo từng bước kiểm tra có hệ thống. Đầu tiên, kiểm tra thông mạch và nguồn cấp điện toàn bộ hệ thống. Tiếp theo, kích hoạt từng cảm biến và quan sát phản ứng của AC Control Module. Thử nghiệm đảo chiều motor trộn gió theo lệnh điều khiển COOL và WARM. Cuối cùng, kiểm tra tín hiệu phản hồi vị trí F/B TEMP để xác nhận độ chính xác điều khiển. Kết quả thử nghiệm được ghi nhận và so sánh với thông số kỹ thuật chuẩn trong tài liệu gốc.

IV. Kết luận và ứng dụng mô hình trong đào tạo kỹ thuật ô tô

Mô hình hệ thống điều khiển điều hòa tự động xe Kia Morning là công cụ đào tạo kỹ thuật có giá trị cao. Công trình nghiên cứu của Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chứng minh khả năng áp dụng kiến thức học thuật vào thực tiễn. Mô hình giả lập cho phép sinh viên quan sát trực tiếp hoạt động của từng cảm biến và cơ cấu chấp hành. Điều này rút ngắn thời gian học lý thuyết, tăng hiệu quả đào tạo thực hành. Kỹ thuật viên ô tô có thể sử dụng mô hình để thực hành chẩn đoán lỗi hệ thống điều hòa một cách an toàn. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của AC Control Module giúp kỹ thuật viên xử lý sự cố nhanh và chính xác hơn. Giao tiếp CAN giữa AC Control Module và PCM mở ra hướng nghiên cứu chuyên sâu về mạng điều khiển trên xe hiện đại. Trong tương lai, mô hình có thể được nâng cấp tích hợp giao diện chẩn đoán OBD-II. Đây là nền tảng để phát triển các công cụ đào tạo tương tác cho chuyên ngành công nghệ kỹ thuật ô tô tại Việt Nam.

4.1. Ứng dụng thực tiễn trong giảng dạy và thực hành

Mô hình hệ thống điều hòa tự động phục vụ trực tiếp chương trình đào tạo ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô. Sinh viên tiếp cận thiết bị thực tế ngay trong môi trường học đường mà không cần xe thật. Mô hình giúp minh họa trực quan nguyên lý điều khiển vòng kín, tín hiệu cảm biến và phản hồi cơ cấu chấp hành. Giảng viên có thể tạo ra các tình huống lỗi mô phỏng để sinh viên thực hành chẩn đoán. Phương pháp học này nâng cao kỹ năng tư duy kỹ thuật và khả năng xử lý sự cố thực tế.

4.2. Định hướng phát triển và mở rộng nghiên cứu

Mô hình hiện tại có thể được mở rộng theo nhiều hướng nghiên cứu tiếp theo. Tích hợp giao tiếp CAN-bus cho phép nghiên cứu sâu hơn về mạng điều khiển xe hiện đại. Bổ sung giao diện chẩn đoán OBD-II giúp mô hình tiệm cận thiết bị chuyên nghiệp trong xưởng dịch vụ. Phát triển phần mềm giám sát thời gian thực hiển thị dữ liệu cảm biến trực quan hóa quá trình điều khiển. Hướng nghiên cứu này góp phần nâng cao chất lượng đào tạo kỹ sư ô tô tại Việt Nam trong bối cảnh công nghệ xe ngày càng hiện đại.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình phát triển của ngành công nghiệp ô tô, các trang thiết bị tiện nghi phục vụ hành khách ngày càng được chú trọng nâng cấp, trong đó hệ thống điều hòa không khí tự động là một cải tiến tiêu biểu mang lại sự thoải mái tối ưu cho người sử dụng trong khoang cabin. Hệ thống này tự động tính toán, phân phối lưu lượng và nhiệt độ không khí dựa trên dữ liệu từ mạng lưới cảm biến môi trường và thiết lập của người lái. Tuy nhiên, việc tiếp cận, nghiên cứu và thực hành khảo sát các chế độ vận hành hoặc pan bệnh trên hệ thống điều hòa tự động thực tế trên xe gặp nhiều trở ngại do chi phí cao, không gian lắp đặt chật hẹp trong xe và nguy cơ hư hỏng các chi tiết đắt tiền khi can thiệp trực tiếp. Việc xây dựng một mô hình giả lập tín hiệu có khả năng tùy biến các trạng thái vận hành là nhu cầu cấp thiết phục vụ công tác giảng dạy kỹ thuật và đào tạo kỹ thuật viên tại các xưởng dịch vụ.

Đề tài tốt nghiệp "Nghiên cứu, thi công mô hình hệ thống điều khiển điều hòa không khí tự động trên xe Kia Morning" được thực hiện bởi hai sinh viên Hoàng Thanh Quan và Nguyễn Khắc Thành Đạt, dưới sự hướng dẫn của Th.S Lê Quang Vũ tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khóa học 2018 – 2022). Nhiệm vụ nghiên cứu được giao chính thức vào ngày 19 tháng 09 năm 2022 và hoàn thành bảo vệ vào tháng 12 năm 2022.

Theo nhiệm vụ đồ án được phê duyệt, mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm:

1. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết hệ thống điều hòa không khí trên ô tô nói chung.
2. Tìm hiểu hệ thống điều hòa không khí tự động trên xe Kia Morning (thế hệ 2011 – 2015).
3. Thiết kế, thi công mô hình giả lập tín hiệu hệ thống điều hòa không khí tự động trên xe Kia Morning.
4. Thử nghiệm, đánh giá mô hình giả lập hệ thống điều hòa không khí tự động trên xe.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu, đồ án tập trung chuyên sâu vào sơ đồ mạch điện, giao thức truyền thông mạng và thuật toán điều khiển của hệ thống điều hòa không khí tự động trang bị trên dòng xe du lịch cỡ nhỏ Kia Morning đời 2011 đến 2015. Giới hạn đề tài nằm ở việc chế tạo mô hình dạng bàn thực tập tĩnh: giữ nguyên cụm điều khiển trung tâm (AC Control Module) nguyên bản của xe, trong khi toàn bộ các tín hiệu đầu vào từ cảm biến động cơ, môi trường và các cơ cấu chấp hành được thiết kế mạch điện tử giả lập. Các đặc tính kỹ thuật, màu dây, giắc nối và sơ đồ chân điều khiển được đối chiếu theo tài liệu sửa chữa chính hãng của dòng xe này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên các tài liệu kỹ thuật chuyên ngành: cẩm nang sửa chữa Kia Morning Workshop Manual 2011 – 2017 và tài liệu giáo trình Thực tập điện – điện tử ô tô 2 của tác giả TS. Lê Thanh Phúc (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM).

Cơ sở lý thuyết nhiệt động lực học và chu trình điện lạnh trên ô tô được tác giả tổng hợp qua các đặc tính:

• Nguyên lý truyền nhiệt: Dòng nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp qua dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ hồng ngoại.
• Sự hấp thụ nhiệt và ẩn nhiệt: Hiện tượng thay đổi trạng thái môi chất lỏng - khí khi hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt lượng ở nhiệt độ sôi và nhiệt độ ngưng tụ.
• Tương quan áp suất và điểm sôi: Điểm sôi của chất lỏng tăng khi áp suất tăng và giảm khi áp suất giảm, chi phối toàn bộ chu trình nén hơi khép kín gồm 4 giai đoạn chính: nén môi chất (máy nén), ngưng tụ tỏa nhiệt (giàn nóng), tiết lưu giảm áp (van tiết lưu hoặc ống tiết lưu cố định), và bốc hơi thu nhiệt (giàn lạnh).

Về mặt điều khiển điện tử, hệ thống trên xe Kia Morning 2011 hoạt động dựa trên sự phối hợp giữa hai hộp điều khiển: hộp điều khiển điều hòa (AC Control Module) và hộp điều khiển truyền lực (PCM - Power Control Module). Hai hộp giao tiếp với nhau qua đường truyền mạng nội bộ CAN (Controller Area Network) với hai dây tín hiệu CAN_H và CAN_L. AC Control Module tiếp nhận các tín hiệu nhiệt độ môi trường, bức xạ mặt trời, nhiệt độ giàn lạnh, nhiệt độ trong khoang lái và lệnh cài đặt của người dùng, từ đó phát lệnh đóng ngắt máy nén dạng bản tin số hóa qua mạng CAN sang PCM. Hộp PCM căn cứ vào tình trạng vận hành của động cơ để ra quyết định kích hoạt rơ le cấp nguồn cho ly hợp điện từ của máy nén.

Phương pháp nghiên cứu được nhóm tác giả triển khai bao gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Nghiên cứu sơ đồ mạch điện nguyên lý, các bảng thông số điện áp và điện trở cảm biến của xe Kia Morning trong tài liệu hướng dẫn sửa chữa chính hãng.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật và mô phỏng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý các khối mạch điều khiển, khối giả lập cảm biến trên phần mềm Proteus ISIS; dựng bản vẽ bố trí mặt panel mô hình bằng phần mềm AutoCAD.
• Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Thi công lắp ráp phần cứng, kết hợp mạch vi điều khiển lập trình trên môi trường Arduino IDE để thu thập, xử lý tín hiệu và xuất xung/điện áp điều khiển cơ cấu chấp hành.
• Phương pháp đo kiểm và thực nghiệm chẩn đoán: Kết nối thiết bị đọc lỗi chuyên dụng (máy chẩn đoán OTOFIX) qua giắc tiêu chuẩn OBD-II và bộ chuyển đổi CAN để phân tích dữ liệu dòng (Data List) và kiểm tra tính tương thích của hệ thống giả lập so với hệ thống nguyên bản trên xe.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống mô hình thực nghiệm được nhóm nghiên cứu thiết kế thành các phân khu chức năng riêng biệt, liên kết chặt chẽ trên mặt panel điều khiển nhằm phục vụ mục đích đo kiểm và thực hành kỹ thuật.

Kiến trúc phần cứng và các khối mạch điều khiển

Cấu trúc tổng thể của mô hình giả lập gồm ba khối chức năng chính:

• Khối AC Control Module: Sử dụng cụm điều khiển điều hòa tự động nguyên bản tháo từ xe Kia Morning. Cụm này tích hợp sẵn màn hình hiển thị nhiệt độ, các phím bấm chức năng, núm xoay chọn nhiệt độ, rơ le cấp nguồn và cảm biến nhiệt độ bên trong xe kiểu nhiệt điện trở âm đi kèm ống dẫn gió cưỡng bức.
• Khối giả lập PCM và vi điều khiển trung tâm: Sử dụng board mạch Arduino Mega 2560 làm bộ xử lý trung tâm, phối hợp cùng module mở rộng CAN MCP2515 (dùng chip MCP2515 và bộ thu phát TJA1050) để đóng vai trò giải mã và phát dữ liệu giao tiếp với hộp điều hòa. Khối này tích hợp một màn hình LCD 2004 kết nối qua giao tiếp I2C để hiển thị trực quan các thông số hoạt động của hệ thống (nhiệt độ môi trường, nhiệt độ nước làm mát, tốc độ động cơ, nhiệt độ giàn lạnh, trạng thái đóng ngắt của máy nén và rơ le điều khiển).
• Khối giao tiếp chẩn đoán: Thiết kế cổng kết nối chuẩn OBD-II 16 chân nối trực tiếp với đường truyền CAN của hệ thống, cho phép kết nối máy chẩn đoán cầm tay OTOFIX để truy cập dữ liệu Data List và giám sát tình trạng hộp điều khiển như trên một xe ô tô hoàn chỉnh.

Giải pháp kỹ thuật giả lập cảm biến và cơ cấu chấp hành

Để thay thế cho các cảm biến cơ khí và môi chất thực, nhóm nghiên cứu đã thiết kế các cụm mạch giả lập tín hiệu điện:

• Cảm biến nhiệt độ môi trường, cảm biến nhiệt độ giàn lạnh, cảm biến nhiệt độ nước làm mát: Sử dụng các biến trở xoay kết hợp điện trở phân áp nhằm thay đổi dải điện trở tuyến tính tương đương với đặc tính của cảm biến nhiệt điện trở âm (NTC) thực tế trên xe.
• Cảm biến bức xạ mặt trời: Giả lập bằng mạch phân áp tạo tín hiệu điện áp từ 0V đến 5V gửi về AC Control Module, tương ứng với mức cường độ ánh sáng chiếu vào quang điốt.
• Cảm biến tốc độ động cơ: Giả lập bằng tín hiệu xung tạo từ vi điều khiển gửi về chân nhận tín hiệu của PCM để thỏa mãn điều kiện vòng tua động cơ.
• Điều khiển motor quạt giàn lạnh: Thiết kế mạch công suất sử dụng Mosfet IRF520 nhận tín hiệu điều khiển từ chân điều khiển của AC Control Module, xuất ra 8 cấp điện áp tương ứng để kéo động cơ quạt DC 5020.
• Các motor cánh chấp hành (trộn gió, chia gió, dẫn gió vào): Sử dụng các động cơ điện một chiều giảm tốc GA25 370. Mạch điều khiển cho phép đảo chiều quay của động cơ thông qua cặp tín hiệu điều khiển từ hộp AC, đồng thời gắn kèm biến trở hồi tiếp góc quay để gửi điện áp phản hồi vị trí cánh gió chính xác về hộp AC Control Module.
• Điều khiển quạt két nước làm mát: Sử dụng transistor công suất TIP41C được điều khiển bởi board Arduino Mega 2560 để đóng cắt quạt giải nhiệt theo các ngưỡng nhiệt độ nước làm mát giả lập.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan đề tài

Chương này trình bày lý do lựa chọn nghiên cứu hệ thống điều hòa tự động xuất phát từ xu hướng phát triển tiện nghi xe hơi và sự cần thiết của trang thiết bị đào tạo trực quan. Tác giả xác định rõ 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, phương pháp tiếp cận kết hợp lý thuyết và chế tạo thực nghiệm, giới hạn phạm vi nghiên cứu trên dòng xe Kia Morning 2011, cùng bố cục tổng thể gồm 5 chương của quyển đồ án.

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Chương II phân tích chi tiết nguyên lý nhiệt lạnh và cấu tạo cơ điện tử của hệ thống điều hòa không khí ô tô. Tác giả trình bày chức năng làm mát, sưởi ấm (dùng nhiệt từ két nước làm mát), hút ẩm (ngưng tụ ẩm tại giàn lạnh) và điều khiển thông gió (thông gió tự nhiên dựa trên chênh áp khí động học hoặc thông gió cưỡng bức bằng quạt điện). Hệ thống được phân loại theo vị trí bố trí (kiểu phía trước, kiểu kép, kiểu kép treo trần trên xe khách) và phương thức điều khiển (chỉnh tay hoặc tự động).

Về phần cơ điện lạnh, nội dung phân tích cấu tạo, nguyên lý của các kiểu máy nén (piston đĩa chéo, đĩa lắc, trục khuỷu), ly hợp điện từ dẫn động máy nén, giàn nóng thường và giàn nóng tích hợp bộ chia hơi - lỏng, bình hút ẩm có mắt ga quan sát môi chất, các loại van tiết lưu (kiểu hộp, loại thường cân bằng trong/ngoài) và ống tiết lưu cố định đi kèm bình tích lũy, cùng kết cấu bộ bốc hơi (giàn lạnh).

Ở phần điều khiển điện tự động trên xe Kia Morning 2011, chương này hệ thống hóa chi tiết các thông số kỹ thuật của cảm biến và cơ cấu chấp hành:

• Cảm biến nhiệt độ trong xe: Nhiệt điện trở âm tích hợp trong bảng điều khiển, sử dụng ống hút gió cưỡng bức từ quạt lồng sóc.
• Cảm biến nhiệt độ môi trường: Nhiệt điện trở âm lắp trước giàn nóng. Khi nhiệt độ môi trường dưới 32°F (0°C), PCM sẽ ngắt ly hợp từ để chống đóng băng hệ thống.
• Cảm biến bức xạ mặt trời: Quang điốt lắp trên bề mặt táp lô tiếp nhận cường độ ánh sáng để bù trừ nhiệt độ trong xe.
• Cảm biến nhiệt độ giàn lạnh: Nhiệt điện trở âm đo nhiệt độ không khí sau giàn lạnh. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 2°C, PCM ngắt máy nén để tránh đóng băng bề mặt; khi nhiệt độ tăng trên 4°C, PCM đóng lại ly hợp từ.
• Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: Giám sát nhiệt độ động cơ. Khi nhiệt độ nước vượt quá 95°C, PCM điều khiển quạt quay tốc độ chậm; vượt quá 97°C, quạt chuyển sang tốc độ nhanh; khi nhiệt độ vượt quá 100°C, PCM ngắt ly hợp từ máy nén nhằm giảm tải cho động cơ đang quá nhiệt.
• Cảm biến tốc độ động cơ: Cảm biến hiệu ứng Hall 3 dây gắn tại trục cam phát xung vuông. Khi tốc độ động cơ dưới 1000 vòng/phút, PCM không cho phép đóng ly hợp từ máy nén nhằm tránh hiện tượng động cơ bị quá tải dẫn đến chết máy.
• Cảm biến áp suất ga: Công tắc áp suất bảo vệ hệ thống; nếu áp suất môi chất giảm dưới 2 kg/cm² hoặc vượt quá 31 kg/cm², PCM lập tức ngắt điện cấp cho máy nén.
• Cụm cơ cấu chấp hành: Motor quạt giàn lạnh điều khiển qua Mosfet với 8 cấp tốc độ; motor dẫn gió vào (lấy gió trong/ngoài); motor chia gió (5 chế độ thổi: mặt, mặt và chân, chân, chân và kính, kính); motor trộn gió hoạt động chính xác theo từng bước vị trí tương tự động cơ bước dựa trên điện áp phản hồi.

Tên linh kiện / Cảm biến	Đặc tính tín hiệu / Điều kiện làm việc	Chức năng điều khiển trên xe Kia Morning 2011
Cảm biến nhiệt độ môi trường	Nhiệt điện trở âm (-30°C ứng với 480 kΩ)	Dưới 0°C (32°F): Ngắt máy nén chống đóng băng
Cảm biến nhiệt độ giàn lạnh	Nhiệt điện trở âm (-20°C ứng với 70 kΩ)	Dưới 2°C: Ngắt máy nén; Trên 4°C: Bật lại máy nén
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát	Nhiệt điện trở âm (-40°C ứng với 48 kΩ)	> 95°C: Quạt két nước quay chậm; > 97°C: Quay nhanh; > 100°C: Ngắt máy nén
Cảm biến tốc độ động cơ	Cảm biến Hall 3 dây (xung vuông)	Dưới 1000 vòng/phút: Không đóng ly hợp từ
Cảm biến áp suất ga	Công tắc ngắt bảo vệ áp suất	Áp suất < 2 kg/cm² hoặc > 31 kg/cm²: Ngắt máy nén
Motor quạt giàn lạnh	Động cơ DC, điều khiển qua Mosfet	8 nấc tốc độ (Nấc 1: 3.8V; Nấc 7: 11V; Nấc 8: Điện áp ắc quy)
Motor chia gió	Động cơ DC đảo chiều có biến trở phản hồi	Chân F/B: Mặt (0.3V), Mặt-chân (1.35V), Chân (2.5V), Chân-kính (3.55V), Kính (4.4V)
Motor trộn gió	Động cơ DC đảo chiều điều khiển từng bước	Chế độ Max Cool: chân COOL 12V, WARM 0V, phản hồi F/B TEMP 0.7V
Motor dẫn gió vào	Động cơ DC đảo chiều	Chế độ lấy gió ngoài: chân FRE 12V, REC 0V, phản hồi F/B INTAKE 4.4V

Chương III: Thực hiện mô hình

Nội dung chương III tập trung vào quá trình chế tạo mô hình thực tế. Tác giả trình bày sơ đồ đấu nối chi tiết giữa AC Control Module nguyên bản với các khối giả lập cảm biến bằng biến trở, module CAN MCP2515, màn hình hiển thị LCD 2004 I2C, Mosfet IRF520 điều khiển quạt, transistor TIP41C điều khiển quạt két nước, cùng các động cơ DC 5020 và GA25 370.

Trong phần lập trình Arduino và giải mã bản tin mạng CAN, nhóm nghiên cứu đã bắt và phân tích gói tin truyền thông từ AC Control Module:

• Khi người dùng tắt điều hòa bằng cách bấm nút AC trên panel, bản tin gửi đi có giá trị dữ liệu tại byte thứ hai là Byte[1] = 44 hoặc Byte[1] = 108.
• Khi người dùng tắt hoàn toàn hệ thống bằng nút OFF, bản tin CAN ghi nhận giá trị Byte[1] = 36.

Các linh kiện được bố trí hoàn chỉnh trên khung giá thực tập, phân chia thành từng khu vực trực quan: khu vực AC Control Module, khu vực cảm biến và các giắc đo kiểm (test point), khu vực mô phỏng quạt và máy nén, khu vực rơ le A/C, khu vực giắc cắm chẩn đoán OBD-II và khu vực các motor cánh chấp hành.

Chương IV: Hướng dẫn sử dụng và thực hành

Chương này cung cấp quy trình thao tác và khai thác mô hình phục vụ đào tạo:

• Vận hành ở chế độ tự động (Auto): Hướng dẫn kích hoạt nút Auto, thao tác thay đổi các biến trở mô phỏng nhiệt độ môi trường, bức xạ mặt trời để quan sát sự tự động thay đổi tốc độ quạt gió và sự dịch chuyển vị trí của các cánh trộn gió, chia gió.
• Vận hành ở chế độ chỉnh tay (Manual): Hướng dẫn tùy chỉnh thủ công tốc độ quạt gió qua 8 cấp điện áp, lựa chọn các hướng thổi gió và chuyển đổi chế độ lấy gió trong/ngoài.
• Hướng dẫn đọc bản tin CAN Message: Kết nối máy tính qua cổng USB với board Arduino Mega, sử dụng chức năng Serial Monitor trong Arduino IDE để đọc trực tiếp cấu trúc các frame truyền thông CAN khi thay đổi các chế độ điều hòa.
• Hướng dẫn kết nối máy chẩn đoán OTOFIX: Cắm giắc OBD-II vào mô hình, chọn đúng thông tin dòng xe Kia Morning trên giao diện máy chẩn đoán, truy cập mục AC Control Module để xem trực tiếp các thông số Data List thực tế gửi về từ hộp.

Chương V: Kết luận

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả kỹ thuật đã hoàn thành của đề tài và vạch ra định hướng phát triển nhằm nâng cao năng lực ứng dụng của mô hình trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công một mô hình thực hành hệ thống điều khiển điều hòa tự động xe Kia Morning hoàn chỉnh về phần cứng và thuật toán điều khiển, đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Tích hợp thành công hộp điều khiển AC Control Module thật của xe với hệ thống vi xử lý Arduino Mega 2560 và module CAN MCP2515, tái tạo chính xác cơ chế giao tiếp mạng CAN giữa hộp điều hòa và hộp điều khiển truyền lực PCM.
• Mô phỏng chính xác hoạt động của quạt lồng sóc qua mạch Mosfet IRF520 với đầy đủ 8 cấp tốc độ thực tế (từ điện áp khởi điểm 3.8V ở nấc 1 đến mức điện áp bình ắc quy ở nấc 8).
• Giả lập cơ chế hoạt động của các cánh chia gió, cánh lấy gió trong/ngoài và cánh trộn nhiệt độ bằng động cơ giảm tốc GA25 370 có gắn biến trở hồi tiếp; phản hồi chính xác dải điện áp tiêu chuẩn về hộp AC Control Module (điện áp phản hồi vị trí cánh chia gió từ 0.3V đến 4.4V; điện áp cánh trộn ở chế độ Max Cool đạt 0.7V; điện áp cánh lấy gió ngoài đạt 4.4V).
• Bắt và giải mã thành công bản tin CAN điều khiển từ hộp AC Control Module: xác định rõ byte trạng thái khi tắt AC (Byte[1] = 44 || 108) và khi tắt hệ thống bằng nút OFF (Byte[1] = 36).
• Kết nối thành công cổng OBD-II với thiết bị chẩn đoán chuyên dụng OTOFIX, cho phép đọc đầy đủ thông số hoạt động của hộp điều khiển điều hòa theo thời gian thực tương đương như trên xe thực tế.

Về mặt đóng góp so với các mô hình nghiên cứu và giảng dạy trước đây, tác giả đã tự thiết kế giải pháp kết hợp giữa chi tiết điều khiển nguyên bản (AC Control Module) và các khối giả lập tín hiệu điện tử độc lập. Cách tiếp cận này giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư thiết bị (không cần sử dụng toàn bộ hệ thống cơ khí, động cơ đốt trong và hệ thống đường ống ga áp suất cao), tối ưu hóa diện tích lắp đặt, đồng thời cho phép người học can thiệp trực tiếp vào từng tín hiệu cảm biến bằng biến trở xoay và cổng đo kiểm chuyên dụng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả xác định dựa trên giới hạn nghiên cứu:

• Toàn bộ cơ chế điều khiển, thuật toán giao tiếp CAN và sơ đồ mạch được thiết kế chuyên biệt cho hệ thống điều hòa tự động trên xe Kia Morning (thế hệ 2011 – 2015), do đó không thể áp dụng trực tiếp cho các dòng xe khác có giao thức mạng hoặc kiến trúc điều khiển khác biệt.
• Mô hình thuần túy là hệ thống giả lập tín hiệu điện - điện tử, không có cụm cơ khí máy nén thực, giàn nóng, giàn lạnh và môi chất lạnh tuần hoàn thực tế, nên không thể kiểm chứng được hiệu quả trao đổi nhiệt động lực học trong không gian kín.

Về định hướng phát triển, tác giả đề xuất:

• Nghiên cứu tích hợp thêm các công tắc tạo pan lỗi (hở mạch, ngắn mạch, sai lệch giá trị cảm biến) trên bảng pan lỗi chuyên dụng để phục vụ công tác rèn luyện kỹ năng chẩn đoán sự cố cho sinh viên.
• Mở rộng quy mô truyền thông mạng CAN bằng cách kết nối thêm các hộp điều khiển điện tử khác trên xe (như hộp BCM, hộp điều khiển túi khí, cụm đồng hồ táp lô) để tạo thành mạng điều khiển thân xe liên hoàn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao đối với sinh viên, giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Điện - Điện tử Ô tô và Kỹ thuật Cơ điện tử:

• Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về sơ đồ chân giắc, thông số kỹ thuật cảm biến và quy trình điều khiển của hệ thống điều hòa tự động dòng xe Kia Morning đời 2011 – 2015.
• Cung cấp giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh về việc ứng dụng board Arduino Mega 2560 kết hợp chip MCP2515 để thu phát, giải mã dữ liệu mạng CAN trên ô tô và giao tiếp với máy chẩn đoán qua cổng OBD-II.
• Là tài liệu hữu ích cho các xưởng đào tạo nghề, trung tâm kỹ thuật dịch vụ ô tô trong việc tự thiết kế, chế tạo bàn thử nghiệm, mô hình giảng dạy chi phí thấp để đào tạo kỹ thuật viên chẩn đoán điện lạnh ô tô.

Câu hỏi thường gặp

1. Hộp AC Control Module điều khiển đóng ngắt máy nén bằng phương thức nào?

Hộp AC Control Module trên xe Kia Morning 2011 không điều khiển trực tiếp rơ le máy nén bằng dây điện thông thường mà phát tín hiệu yêu cầu đóng hoặc ngắt máy nén dưới dạng gói tin số hóa sang hộp điều khiển truyền lực (PCM) thông qua mạng truyền thông CAN (sử dụng hai dây tín hiệu CAN_H và CAN_L). Hộp PCM sẽ nhận bản tin này, kết hợp cùng các điều kiện an toàn của động cơ để kích hoạt cuộn dây rơ le ly hợp từ.

2. Những điều kiện nào khiến hộp PCM ngắt ly hợp từ máy nén để bảo vệ hệ thống?

Theo tài liệu của đề tài, hộp PCM sẽ ngắt ly hợp từ của máy nén trong các trường hợp sau:

• Nhiệt độ môi trường bên ngoài đo được dưới 32°F (0°C) nhằm chống đóng băng hệ thống.
• Nhiệt độ giàn lạnh đo được dưới 2°C (và chỉ bật lại khi nhiệt độ tăng trên 4°C).
• Nhiệt độ nước làm mát động cơ vượt quá 100°C để giảm tải, tránh gây quá nhiệt nghiêm trọng cho động cơ.
• Tốc độ vòng tua động cơ dưới 1000 vòng/phút nhằm chống hiện tượng quá tải gây chết máy.
• Áp suất môi chất lạnh đo từ công tắc áp suất ga nhỏ hơn 2 kg/cm² (thiếu ga/rò rỉ) hoặc vượt quá 31 kg/cm² (quá áp, tắc nghẽn).

3. Motor quạt giàn lạnh trên mô hình được điều khiển phân cấp ra sao?

Motor quạt giàn lạnh là động cơ một chiều được điều khiển qua một Mosfet công suất (IRF520 trên mô hình). Hộp điều khiển điều hòa phát tín hiệu điều khiển trực tiếp để phân chia điện áp cấp cho quạt thành 8 nấc tốc độ tương ứng: Nấc 1 đạt điện áp 3.8V, nấc 7 đạt điện áp 11V, và nấc 8 đạt mức điện áp danh định của bình ắc quy.

4. Vị trí các cửa gió được xác định thông qua dải điện áp phản hồi như thế nào?

Vị trí của motor chia gió được giám sát thông qua chân phản hồi F/B MODE về hộp điều khiển với các mức điện áp tiêu chuẩn:

• Chế độ thổi lên mặt: 0.3V.
• Chế độ thổi lên mặt và thổi xuống chân: 1.35V.
• Chế độ thổi xuống chân: 2.5V.
• Chế độ thổi xuống chân và thổi lên kính: 3.55V.
• Chế độ thổi kính: mức điện áp cao (xấp xỉ 4.4V).

5. Dữ liệu mạng CAN ghi nhận được trạng thái nút bấm tắt điều hòa có giá trị thế nào?

Trong quá trình thử nghiệm giải mã tín hiệu CAN bằng Arduino Mega 2560 và module CAN MCP2515, nhóm tác giả đã xác định được cấu trúc dữ liệu gửi từ hộp AC Control Module: khi người dùng ấn nút tắt điều hòa (nút AC), byte thứ hai của bản tin ghi nhận giá trị Byte[1] = 44 hoặc 108; khi tắt toàn bộ hệ thống bằng nút OFF, byte này ghi nhận giá trị Byte[1] = 36.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu, thi công mô hình hệ thống điều khiển điều hòa không khí tự động trên xe Kia Morning" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra về mặt lý thuyết điều khiển điện lạnh và chế tạo thực nghiệm. Nhóm tác giả đã kết hợp linh hoạt giữa hộp AC Control Module nguyên bản của xe với các khối mạch giả lập cảm biến, cơ cấu chấp hành và giao thức truyền thông mạng CAN trên nền tảng vi điều khiển Arduino Mega 2560 cùng module MCP2515. Sản phẩm tạo ra một bàn thực tập trực quan, đáp ứng đầy đủ các bài thực hành vận hành Auto/Manual, phân tích bản tin CAN và chẩn đoán mã lỗi qua cổng OBD-II tiêu chuẩn, phục vụ hiệu quả cho công tác đào tạo chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan đề tài - Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Chương 3: Thiết kế, thực hiện mô hình - Chương 4: Hướng dẫn sử dụng, thực hành - Chương 5: Kết luận 1 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Chức năng, phân loại, lý thuyết điều hòa không khí 2.1 Chức năng của điều hòa không khí - Sưởi ấm Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động của bộ sưởi ấm[1] Người ta dùng một két sưởi ấm như một bộ trao đổi nhiệt để làm nóng không khí. Két sưởi lấy nước làm mát của động cơ đã được hâm nóng bởi động cơ và dùng nhiệt độ này để làm nóng không khí nhờ một quạt thổi vào xe, vì vậy nhiệt độ của két sưởi là thấp cho đến khi nước làm mát nóng lên. Do đó ngay sau khi động cơ khởi động két sưởi không làm việc như là một bộ sưởi ấm[4].

- Làm mát không khí Giàn lạnh làm việc như là một bộ trao đổi nhiệt để làm mát không khí trước khi đưa vào trong xe. Khi bật công tắc điều hòa không khí, máy nén bắt đầu làm việc đẩy môi chất lạnh (ga lạnh) tới giàn lạnh. Giàn lạnh được làm mát nhờ chất làm lạnh và sau đó nó làm mát không khí được thổi vào trong xe từ quạt gió. Việc làm nóng không khí phụ thuộc vào nhiệt độ của nước làm mát động cơ nhưng việc làm mát không khí hoàn toàn độc lập với nhiệt độ nước làm mát động cơ[4].2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống làm mát[1] - Hút ẩm Lượng hơi nước trong không khí tăng lên khi nhiệt độ không khí cao và giảm xuống khi nhiệt độ không khí giảm.

Khi đi qua giàn lạnh, không khí được làm mát. Hơi nước trong không khí ngưng tụ lại và bám vào các cánh tản nhiệt của giàn lạnh. Kết quả là độ ẩm trong xe bị giảm xuống. Nước dính vào các cánh tản nhiệt, đọng lại thành sương và được chứa trong khay xả nước.

Cuối cùng, nước này được tháo ra khỏi khay của xe bằng một vòi nhỏ. Ngoài ba chức năng trên hệ thống điều hòa không khí còn có chức năng điều khiển thông gió trong xe. Việc lấy không khí bên ngoài đưa vào trong xe nhờ chênh áp được tạo ra do chuyển động của xe được gọi là sự thông gió tự nhiên. Sự phân bổ áp suất không khí trên bề mặt của xe khi nó chuyển động được chỉ ra trên hình vẽ, một số nơi có áp suất dương, còn một số nơi khác có áp suất âm.

Như vậy cửa hút được bố trí ở những nơi có áp suất dương và cửa xả khí được bố trí ở những nơi có áp suất âm. Trong các hệ thống thông gió cưỡng bức, người ta sử dụng quạt điện hút không khí đưa vào trong xe. Các cửa hút và cửa xả không khí được đặt ở cùng vị trí như trong hệ thống thông gió tự nhiên. Thông thường, hệ thống thông gió này được dùng chung với các hệ thống thông khí khác (hệ thống điều hoà không khí, bộ sưởi ấm).

Phân loại điều hòa không khí trên ô tô Hệ thống điều hòa không khí được phân loại theo vị trí lắp đặt và theo phương thức điều khiển. Phân loại theo vị trí lắp đặt - Kiểu phía trước 3 Giàn lạnh của kiểu phía trước được gắn sau bảng đồng hồ và được nối với giàn sưởi. Quạt giàn lạnh được dẫn động bằng mô tơ quạt. Gió từ bên ngoài hoặc không khí tuần hoàn bên trong được cuốn vào.

Không khí đã làm lạnh (hoặc sấy) được đưa vào bên trong.3 Kiểu phía trước[1] - Kiểu kép: Kiểu kép là kiểu kết hợp giữa kiểu phía trước với giàn lạnh phía sau được đặt trong khoang hành lý.