Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu do khí thải từ các phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, xu hướng chuyển đổi phương tiện giao thông sang năng lượng xanh trở thành nhiệm vụ cấp thiết. Tại Việt Nam, chương trình hành động về chuyển đổi năng lượng xanh hướng tới mục tiêu đưa phát thải ròng khí nhà kính về mức "0" (Net Zero) vào năm 2050. Với quy mô thị trường xe máy điện đứng thứ hai thế giới (chỉ sau Trung Quốc), nhu cầu về đội ngũ kỹ sư có chuyên môn sâu về công nghệ xe điện ngày càng gia tăng.

Tuy nhiên, trong chương trình đào tạo chuyên ngành tại các trường đại học kỹ thuật, phần lớn trang thiết bị và giáo trình thực tập xưởng vẫn tập trung vào động cơ đốt trong truyền thống (động cơ xăng và diesel), thiếu các mô hình thực hành chuyên sâu về xe điện. Nhằm giải quyết yêu cầu cấp thiết trong công tác đào tạo và nghiên cứu, đề tài "Nghiên cứu hệ thống điện trên xe máy điện Vinfast Klara A2" được thực hiện với các nhiệm vụ cụ thể:

  1. Khảo sát kết cấu khung sườn và bố trí chung trên xe máy điện VinFast Klara A2.
  2. Tìm hiểu và phân tích sơ đồ mạch điện tổng thể của xe máy điện VinFast Klara A2.
  3. Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các hệ thống điện trên xe: hệ thống khởi động liên động an toàn, động cơ điện, hệ thống nạp và nguồn điện, hệ thống chiếu sáng, hệ thống tín hiệu và thông tin.
  4. Nghiên cứu cơ chế điều khiển của bộ điều khiển trung tâm (ECU) đối với cơ cấu dừng và đỗ xe (chế độ Parking).
  5. Thiết kế và thi công mô hình học cụ hệ thống điện trên xe máy điện VinFast Klara A2 phục vụ công tác giảng dạy thực hành xưởng.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là toàn bộ hệ thống điện thân xe, hệ thống động lực và các trang thiết bị điều khiển trên dòng xe máy điện VinFast Klara A2. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cấu tạo, sơ đồ nguyên lý mạch điện, các tín hiệu cảm biến và phương pháp đo kiểm chẩn đoán lỗi tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong thời gian từ tháng 02/2024 đến tháng 05/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng các cơ sở lý thuyết chuyên ngành về kỹ thuật điện - điện tử ô tô và xe điện, bao gồm:

  • Nguyên lý động cơ một chiều không chổi than (BLDC - Brushless DC Motor): Cấu trúc stato 3 pha, roto nam châm vĩnh cửu tích hợp cảm biến vị trí Hall; nguyên lý điều khiển chuyển mạch bán dẫn bằng phương pháp định hướng từ thông (FOC - Field Oriented Control).
  • Công nghệ lưu trữ năng lượng và chuyển đổi điện áp: Đặc tính nạp/xả của ắc-quy chì-axit kín khí có van điều chỉnh công nghệ Gel (VRLA Gel Battery); nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi nguồn một chiều giảm áp (DC-DC Converter) chuyển đổi từ 60V xuống 12V cấp nguồn cho phụ tải thân xe.
  • Mạng truyền thông và giao diện người - máy (HMI): Giao thức truyền thông mạng CAN (Controller Area Network) truyền nhận dữ liệu tốc độ cao giữa ECU điều khiển và bảng đồng hồ hiển thị đa chức năng HMI; cơ chế tự chẩn đoán và hiển thị mã lỗi hệ thống.
  • Logic điều khiển an toàn khởi động: Hệ thống liên động an toàn tích hợp cảm biến từ tiếp điểm lưỡi gà (Relay Reed) ở chân chống nghiêng, công tắc tay phanh ngắt điện (E-Brake) và công tắc chuyển chế độ đỗ xe (Parking mode).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm hai hướng tiếp cận:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu kỹ thuật của hãng sản xuất VinFast, giáo trình chuyên môn về điện thân xe và tài liệu thiết kế hệ thống điện xe hai bánh.
  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế kỹ thuật: Sử dụng phần mềm SOLIDWORKS và AutoCAD để thiết kế kết cấu khung giá đỡ kim loại và bản vẽ bố trí mặt panel mica; thực hiện gia công cơ khí, lắp ráp các cụm linh kiện thực tế; tiến hành đo đạc, kiểm tra thông số điện áp, dạng sóng xung tín hiệu bằng đồng hồ vạn năng (VOM) và máy đo sóng hiện số (Oscilloscope Hantek).

Nguồn dữ liệu nghiên cứu được trích xuất trực tiếp từ xe máy điện VinFast Klara A2 nguyên bản, thông số kỹ thuật do nhà sản xuất công bố và số liệu đo đạc thực nghiệm trên mô hình.

Thiết kế và triển khai mô hình kỹ thuật

Mô hình học cụ hệ thống điện xe máy điện VinFast Klara A2 được triển khai theo quy trình kỹ thuật hoàn chỉnh:

  • Thiết kế cơ khí và kết cấu giá đỡ: Khung chân đỡ mô hình được thiết kế trên phần mềm SOLIDWORKS nhằm tối ưu hóa không gian chịu lực và tính thẩm mỹ. Khung được gia công từ thép hộp định hình, hàn liên kết chắc chắn, có bánh xe di chuyển và chốt khóa cố định. Phía dưới khung được lót tôn tạo bệ đỡ cho cụm 5 bình ắc-quy chì-axit 60V; phía sau bố trí bệ đỡ trục gắn cụm bánh sau tích hợp động cơ điện BLDC.
  • Thiết kế panel điều khiển và hiển thị: Sử dụng phần mềm AutoCAD để lập bản vẽ 2D cắt khắc laser trên các tấm mica trong suốt (mặt trước, hai mặt bên và mặt sau). Mặt trước bố trí đồng hồ chức năng HMI, ổ khóa điện, cụm tay lái với đầy đủ công tắc điều khiển (đèn, còi, xi nhan, nút Parking, công tắc ECO/SPORT, tay ga điện) và các cổng cắm đo kiểm (test pins).
  • Lắp đặt hệ thống điện và tích hợp linh kiện: Lắp ráp toàn bộ hệ thống dây điện nguyên bản của xe Klara A2, bộ điều khiển ECU, bộ DC-DC Converter, rơ-le chớp xi-nhan STAR, còi K.SOURVE, cảm biến chân chống cạnh Reed switch, cụm đèn trước (pha/cốt), cụm đèn hậu và cổng sạc. Các điểm đo kiểm điện áp và tín hiệu được nối ra các giắc cắm chuyên dụng trên mặt panel phục vụ giảng dạy.
  • Kiểm tra và đánh giá vận hành: Tiến hành cấp nguồn, kiểm tra hoạt động của mạch nguồn 60V và tải phụ 12V; đo dạng sóng xung cảm biến Hall (thu được khoảng 30 xung Hall trên mỗi vòng quay của bánh xe) và kiểm tra tín hiệu giao tiếp CAN High/CAN Low kết nối giữa ECU và HMI.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương này phân tích tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ xu hướng chuyển dịch phương tiện giao thông xanh và nhu cầu cấp bách về nguồn nhân lực kỹ thuật xe điện tại Việt Nam. Tác giả nêu rõ mục tiêu nghiên cứu nhằm làm chủ sơ đồ mạch điện thân xe VinFast Klara A2 và chế tạo mô hình học cụ trực quan phục vụ công tác giảng dạy thực tập xưởng ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô. Chương 1 cũng xác định rõ 5 nhiệm vụ cụ thể, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp kết hợp giữa phân tích lý thuyết và chế tạo thực nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung trình bày toàn diện cấu tạo, thông số kỹ thuật và nguyên lý hoạt động của các hệ thống trên xe máy điện VinFast Klara A2:

Hệ thống / Thành phần Thông số kỹ thuật & Đặc tính vận hành trên xe VinFast Klara A2
Kích thước & Khối lượng Dài x Rộng x Cao: 1910 x 685 x 1132.5 mm; Chiều dài cơ sở: 1335 mm; Khoảng sáng gầm: 110 mm; Trọng lượng xe: 116 kg; Tải trọng tối đa: 160 kg
Động cơ điện (BLDC) Động cơ một chiều không chổi than tích hợp vành sau; Điện áp danh định: 60 VDC; Công suất danh định: 800 W; Công suất tối đa: 1800 W; Mô-men xoắn tối đa: 77 N.m; Trọng lượng động cơ: 10.8 kg
Bộ điều khiển (ECU) Điện áp danh định: 60 VDC; Bảo vệ thấp áp: 52 ± 1 V; Dòng điện giới hạn: 35 A; Hiệu suất tổ hợp động cơ - điều khiển: $\ge$ 86%; Kích thước: 90 x 178 x 51.8 mm; Trọng lượng: 0.58 kg
Bộ nguồn ắc-quy Nhà cung cấp: CHILWEE; Công nghệ: Ắc-quy chì-axit kín khí VRLA Gel; Điện áp danh định: 12 V/bình (tổ hợp 5 bình mắc nối tiếp tạo hệ 60V); Dung lượng khả dụng: 20 Ah; Dòng xả cực đại: 150 A (trong 5 giây); Trọng lượng: xấp xỉ 7.2 kg/bình
Hệ thống phanh & Giảm xóc Phanh đĩa trước (đường kính đĩa 220 mm, dày 3.5 mm); Phanh đĩa sau (đường kính 190 mm, dày 3.5 mm); Dầu phanh DOT4; Giảm xóc trước kiểu ống lồng lò xo/dầu chấn (dầu SS8, dung tích 55 cc/bên); Giảm xóc sau xilanh đơn
Hệ thống tín hiệu & phụ tải Mạch chớp xi nhan STAR (12.8 V, 11-15 V, tần số chuẩn 1.5 Hz, tần số thiếu tải > 2 Hz); Còi điện K.SOURVE (12 V, 9-13 V, dòng tối đa 1.5 A, âm lượng 100 ± 5 dB, tần số 460 ± 30 Hz); Lốp trước 90/90-14 (225 kPa), lốp sau 120/70-12 (280 kPa)

Chương này cũng phân tích chi tiết:

  • Hệ thống khởi động an toàn: Quy trình vận hành liên động bao gồm bật khóa ON, gạt chân chống nghiêng (cảm biến Relay Reed đóng tiếp điểm sắt-niken 50:50), bóp đồng thời 2 tay phanh (công tắc phanh SW.BRAKE mắc song song kéo chân E-Brake của ECU về 0V) và nhấn giữ nút Parking trong 1 giây (kéo chân P-mode về 0V) để ECU mở các pha W, V, U cấp nguồn cho động cơ. Khi xe đang chạy nếu gạt chân chống xuống, ECU tự động giới hạn tốc độ xe dưới 25 km/h.
  • Hệ thống thông tin & Mạng CAN: Đồng hồ HMI nhận dữ liệu tốc độ, chế độ lái (ECO/SPORT), dung lượng ắc-quy và mã lỗi từ ECU thông qua hai đường truyền tín hiệu vi sai CAN High và CAN Low.
  • Hệ thống nạp và chuyển đổi DC-DC: Bộ sạc chuyển đổi nguồn AC lưới điện nạp cho khối ắc-quy 60V; bộ DC-DC Converter hạ áp từ 60V xuống 12V ổn định để cung cấp cho hệ thống chiếu sáng (đèn trước LED pha/cốt, đèn định vị) và hệ thống tín hiệu (xi-nhan, còi, đèn phanh).

Chương 3: Thiết kế - Thực hiện mô hình

Trình bày chi tiết quá trình chế tạo mô hình:

  • Ứng dụng phần mềm SOLIDWORKS để thiết kế mô hình 3D khung giá đỡ chịu lực, tính toán vị trí đặt các bộ ắc-quy chì, bánh xe mang động cơ điện và giá đỡ mặt panel.
  • Ứng dụng phần mềm AutoCAD để vẽ mặt panel hiển thị mica trong suốt, bố trí bảng tên, cụm đồng hồ HMI, công tắc điều khiển và các lỗ giắc đo kiểm.
  • Quá trình gia công kim loại, cắt laser mica, lắp ghép các cụm chi tiết cơ khí và bố trí hệ thống đường dây điện toàn xe đảm bảo tính thẩm mỹ, độ an toàn điện áp 60V và độ bền cơ học cao.

Chương 4: Hướng dẫn sử dụng và nội dung thực hành

Chương này xây dựng tài liệu kỹ thuật vận hành và hệ thống bài tập thực hành dành cho đào tạo:

  • Hướng dẫn vận hành: Quy trình kiểm tra dung lượng ắc-quy, phanh, tay ga, lốp xe và quy trình bật/tắt nguồn an toàn trên mô hình.
  • Nội dung thực hành dành cho người dạy và người học:
    • Bài thực hành số 1 - Nhận diện linh kiện: Xác định vị trí, chức năng và thông số kỹ thuật của các cụm chi tiết trên mô hình xe VinFast Klara A2 (ECU, động cơ BLDC, bộ DC-DC, cảm biến Reed, bộ chớp xi-nhan, đồng hồ HMI).
    • Bài thực hành số 2 - Vận hành và đo kiểm điện áp: Tiến hành đo kiểm tra mức điện áp tại các vị trí: điện áp khối ắc-quy (60V), đầu ra bộ DC-DC (12V), chân tín hiệu tay ga điện (từ 0V đến dải cực đại khi vặn ga), chân P-mode, chân E-Brake và điện áp các pha động cơ.
    • Bài thực hành số 3 - Khảo sát tín hiệu và xử lý sự cố (Pan): Thực hiện đo kiểm điện trở công tắc, đo dạng sóng xung cảm biến Hall trên máy hiện sóng và chẩn đoán các lỗi hiển thị trên đồng hồ HMI theo bảng mã lỗi chuẩn của xe.

Chương 5: Kết luận

Tổng kết các kết quả nghiên cứu đã đạt được so với mục tiêu đề ra; phân tích những hạn chế tồn tại của mô hình và đề xuất phương hướng phát triển, mở rộng đề tài trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đề tài đã hoàn thành các mục tiêu kỹ thuật và học thuật với các kết quả cụ thể:

  • Sản phẩm kỹ thuật: Chế tạo hoàn chỉnh 01 mô hình học cụ hệ thống điện xe máy điện VinFast Klara A2 hoạt động ổn định, tái hiện đầy đủ mọi chức năng vận hành thực tế của xe như khởi động an toàn, chuyển đổi chế độ lái ECO/SPORT, nạp điện, chiếu sáng, báo rẽ, còi và hiển thị thông tin trên HMI.
  • Số liệu đo đạc thực nghiệm:
    • Xác lập bảng giá trị điện áp chuẩn tại các chân giắc của ECU, bộ DC-DC (12V) và khối ắc-quy (60V).
    • Ghi nhận tín hiệu xung cảm biến Hall với tần số biến thiên theo tốc độ xe (thu được khoảng 30 xung Hall trên mỗi vòng quay bánh xe) và dạng sóng xung mạng CAN (CAN H, CAN L) thông qua máy đo Hantek.
    • Xác thực ngưỡng dòng giới hạn của ECU ở 35A và ngưỡng bảo vệ thấp áp tại $52 \pm 1$ V.
  • Tài liệu đào tạo: Xây dựng hoàn chỉnh bộ hướng dẫn vận hành và 03 bài thực hành xưởng chuyên đề về nhận diện linh kiện, đo kiểm điện áp và khảo sát dạng sóng tín hiệu cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.
  • Đóng góp học thuật: Đề tài là công trình nghiên cứu ứng dụng cụ thể về hệ thống điện của dòng xe máy điện thương mại sản xuất tại Việt Nam, cung cấp thiết bị trực quan giúp thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết điều khiển xe điện và kỹ năng thực hành xưởng, nâng cao chất lượng đào tạo tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào nội dung và phạm vi nghiên cứu, các hạn chế và hướng phát triển được xác định:

  • Hạn chế:
    • Mô hình hiện tại sử dụng công nghệ nguồn lưu trữ là ắc-quy chì-axit VRLA Gel (chưa nâng cấp sang công nghệ pin Lithium-ion hiện đại hơn).
    • Hệ thống chẩn đoán lỗi trên mô hình chủ yếu dựa vào mã lỗi hiển thị trực tiếp trên đồng hồ HMI, chưa xây dựng được phần mềm kết nối máy tính để can thiệp sâu vào luồng dữ liệu thời gian thực của ECU qua cổng CAN.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu chuyển đổi và tích hợp hệ thống pin Lithium-ion cùng mạch quản lý pin thông minh (BMS - Battery Management System) lên mô hình.
    • Thiết kế và phát triển phần mềm giao tiếp máy tính qua mạng CAN để đọc, giải mã dữ liệu động (Live Data) và mô phỏng các pan bệnh phức tạp phục vụ công tác giảng dạy chuyên sâu.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận và mô hình kỹ thuật mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chi tiết về sơ đồ mạch điện thân xe, cấu tạo động cơ BLDC, mạch điều khiển FOC và mạng CAN trên xe hai bánh chạy điện.
  • Giảng viên bộ môn Điện ô tô: Sử dụng trực tiếp mô hình và hệ thống bài tập thực hành được biên soạn trong Chương 4 làm giáo cụ giảng dạy trực quan trong các học phần Thực tập Điện thân xe và Thực tập Hệ thống điện ô tô - xe điện.
  • Kỹ sư và người nghiên cứu đề tài tương tự: Tham khảo phương pháp tính toán, thiết kế khung giá đỡ mô hình trên SOLIDWORKS và giải pháp bố trí panel mạch điện trên AutoCAD.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống khởi động trên xe VinFast Klara A2 yêu cầu những điều kiện an toàn nào trước khi động cơ nhận lệnh hoạt động?
Để động cơ điện được cấp nguồn vận hành, người lái phải thực hiện đúng quy trình an toàn: bật khóa điện sang vị trí ON, gạt chân chống cạnh lên (tiếp điểm cảm biến Reed switch đóng), bóp đồng thời hai tay phanh (chân E-Brake của ECU được nối mass, điện áp về 0V) và nhấn giữ nút công tắc Parking trong khoảng 1 giây (chân P-mode của ECU được nối mass, điện áp về 0V). Khi hội đủ các điều kiện này, ECU mới kích hoạt đóng mạch cấp nguồn 3 pha (U, V, W) cho động cơ BLDC.

2. Cảm biến chân chống cạnh trên xe Klara A2 sử dụng nguyên lý gì và can thiệp như thế nào vào quá trình vận hành?
Cảm biến chân chống cạnh sử dụng rơ-le tiếp điểm lưỡi gà (Relay Reed) làm từ hợp kim sắt-niken tỉ lệ 50:50 đặt trong ống thủy tinh kín. Khi chân chống gạt lên, từ trường làm đóng tiếp điểm. Nếu trong quá trình xe đang vận hành mà chân chống cạnh bị gạt xuống, ECU sẽ tự động can thiệp giới hạn tốc độ di chuyển của xe dưới 25 km/h; nếu tay ga được thả về vị trí ban đầu thì người lái không thể tăng ga điều khiển động cơ tiếp cho đến khi chân chống được gạt lên.

3. Khối nguồn và hệ thống hạ áp trên xe Klara A2 có cấu trúc và thông số ra sao?
Nguồn năng lượng chính của xe là cụm 5 bình ắc-quy chì-axit kín khí VRLA Gel do CHILWEE cung cấp, mỗi bình có điện áp danh định 12V dung lượng 20Ah, mắc nối tiếp tạo thành khối nguồn 60V cấp trực tiếp cho động cơ và ECU. Nguồn điện 60V này sau đó đi qua bộ biến đổi DC-DC Converter để hạ áp xuống mức 12V ổn định, cung cấp cho toàn bộ tải phụ gồm hệ thống chiếu sáng LED, mạch chớp xi nhan, còi và đồng hồ HMI.

4. Bảng đồng hồ chức năng HMI giao tiếp với bộ điều khiển ECU bằng phương thức nào?
Đồng hồ HMI giao tiếp với ECU thông qua mạng truyền thông CAN Bus với hai đường dây tín hiệu vi sai CAN High và CAN Low. Các thông số vận hành như tốc độ xe, quãng đường đã đi (ODO), chế độ lái (SPORT/ECO), trạng thái sạc, mức điện áp ắc-quy và các chỉ thị mã lỗi hệ thống đều được ECU mã hóa và truyền tải lên màn hình HMI qua giao thức này.

5. Hệ thống bài thực hành trên mô hình gồm những nội dung chính nào phục vụ học tập?
Chương trình thực hành gồm 3 bài học: Bài 1 tập trung vào nhận diện linh kiện, vị trí lắp đặt và phân tích chức năng các cụm chi tiết trên xe; Bài 2 hướng dẫn sinh viên đo kiểm các mức điện áp danh định tại khối ắc-quy 60V, bộ DC-DC 12V, các chân tín hiệu tay ga, công tắc phanh, công tắc Parking; Bài 3 hướng dẫn đo điện trở tiếp điểm, quan sát dạng sóng xung cảm biến Hall (30 xung/vòng) và chẩn đoán lỗi hệ thống dựa trên hiển thị của HMI.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu hệ thống điện trên xe máy điện Vinfast Klara A2" của sinh viên Nguyễn Đình Phát và Võ Duy Hậu đã hoàn thành xuất sắc việc khảo sát lý thuyết, phân tích sơ đồ mạch điện và thi công mô hình học cụ kỹ thuật hoàn chỉnh. Đề tài làm sáng tỏ các nguyên lý điều khiển động cơ BLDC 60V - 800W, logic khởi động liên động an toàn, công nghệ ắc-quy VRLA Gel và mạng truyền thông CAN trên xe máy điện thương mại. Với bộ giáo trình 03 bài thực hành đo kiểm chi tiết đi kèm, mô hình mang tính ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp một công cụ trực quan và giá trị cho công tác đào tạo kỹ thuật ô tô - xe điện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.