Đặt vấn đề Với xu hướng phát triển rất mạnh hiện nay và trong tương lai của ngành công nghiệp ôtô. Chiếc xe ngày nay ngày một tiện nghi và hiện đại hơn. Đặc biệt, hệ thống điện và điện tử trên ô tô đã có sự phát triển vượt bậc, nhằm để đáp ứng các yêu cầu như: tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường, tăng tính năng an toàn, tính tiên nghi thoải mái của ô tô. Chính vì vậy hệ thống điện trên ô tô ngày nay đóng vai trò rất quan trọng vì các trang thiết bị kèm theo ngày càng nhiều hơn và đều vận hành bằng điện.
Những phát triển gần đây trên ô tô chủ yếu liên quan đến phần điện. Trên một chiếc ô tô hiện đại, phần điện chiếm một phần đáng kể trong giá trị tổng thành của nó. Hệ thống điên và điện tử can thiệp vào gần như tất cả các hệ thống trên một chiếc xe, từ hệ thống đơn giản có từ lâu đời như khởi động, đánh lửa đến những hệ thống mới được nghiên cứu ứng dụng như hệ thống bảo đảm an toàn cho người sử dụng túi khí, phanh điện, hỗ trợ lái xe, treo điện, thiết bị chỉ dẫn vệ tinh và các hệ thống tiện nghi như điều hòa, âm thanh, hệ thống giải trí đa phương tiện. Sẽ dần trở thành những trang bị tiêu chuẩn cho bất kỳ một chiếc ôtô nào.
Đặc biệt gần đây là sự phát triển của xe hydrid, hệ thống start-stop hay hệ thống kiểm soát máy phát thông minh yêu cầu biết được tình trạng accu. Sự gia tăng số lượng tải điện trên xe ngày nay là một thách thức đối với hệ thống cung cấp điện đặc biệt là accu. Một hệ thống sạc thông minh hay máy phát đa điện áp là yêu cầu cần thiết cho chiếc xe, tùy thuộc vào tình trạng của accu và tải điện đang hoạt động trên xe mà điện áp phát ra từ máy phát có thể thay đổi cao hay thấp khác nhau trong một giới hạn nhất định để đảm bảo cho accu được nạp điện một cách tốt hơn nhằm tăng tuổi thọ, hạn chế hiện tưởng sôi nước accu khi nạp no làm cạn dung dịch điện phân mà ở hệ thống sạc truyền thống trước đó còn tồn tại. 1 Ngoài ra hệ thống sạc thông minh cũng phải đảm bảo được chức năng cơ bản của nó là đảm bảo cung cấp một nguồn điện đầy đủ ổn định cho tải điện trên xe trong suốt thời gian hoạt động và cả khi động cơ đã dừng.
Khả năng tự chuẩn đoán hư hỏng, kiểm soát tình trạng của accu, cung cấp thông tin cần thiết một cách nhanh chóng và chính xác cho các hệ thống khác như hệ thống start-stop trên xe hiện đại, hạn chế sự cố xe do accu hết điện, cũng như chức năng cảnh báo, hoạt động ở chế độ dự phòng khi có bất kỳ lỗi nào xảy ra ở hệ thống cung cấp điện.2 Lý do chọn đề tài Khoa học kỹ thuật trên thế giới nói chung ngày nay phát triển rất nhanh. Nhiều đề tài nghiên cứu giữa các nhà khoa học, các kỹ sư ô tô và các công ty cung cấp linh kiện phụ tùng kết hợp với các nhà sản ô tô để tạo ra một hệ thống sạc thông minh nhằm tối ưu hiệu quả sạc accu tăng tuổi thọ, dự báo được tình trạng accu hạn chế hư hỏng do accu phóng hết điện hay hệ thống sạc gặp sự cố. Cũng như tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng điện trên xe giữa năng lượng cung cấp từ máy phát và accu với năng lượng tiệu thụ từ các trang thiết bị tải điện trên xe. Theo Dave Hobbs đăng trên tập chí motormagazine online tháng 4 năm 2010 về một hệ thống sạc thống minh “Smart charging system” của GM bao gồm một accu, một máy phát điện xoay chiều 3 pha được động cơ dẫn động và một vài module giám sát điều kiển điều chỉnh điện áp.
Bộ điều chỉnh điện áp sử dụng thông tin từ cảm biến accu để xác định trạng thái accu tính toán điện áp hệ thống cần thiết cung cấp cho tối ưu hiệu quả sạc accu có thể 13V hay thấp hơn khi accu đầy, hay 14,8V đến 15,5V khi accu phóng điện nhiều cần nạp nhanh. Phụ thuộc vào model xe và năm sản xuất mà điện đầu ra máy phát thay đổi khác nhau theo những chế độ sạc. Và khi có bất kỳ sự cố lỗi nào xảy ra như hở mạch hay mất thông tin từ cảm biến accu thì mật định điện áp đầu ra máy phát là 13,8V đồng thời lỗi được set trong module điều khiển. Theo Andreas Heim của BMW đăng trên tạp chí SAE tháng 10 năm 2006 về hệ thống quản lý năng lượng trên xe với cảm biến accu thông minh “Intelligent battery 2 sensor” có trên những dòng xe BMW mới series 5 và 7.
Trong một xe hiện đại 90% sự đổi mới là xoay quanh hệ thống điện, năm 2002 với hơn 70 bộ điều khiển khác nhau thực hiện trên 2000 chức năng. Ngoài ra để giảm ô nhiễm và tiêu hao nhiên liệu tốc độ cầm chừng động cơ đốt trong đã giảm xuống, kết quả giảm công suất đầu ra máy phát điện ở tốc độ cầm chừng làm cho accu phóng điện dẫn đến sự cố accu hết điện.1 (Nguồn: Theo Andreas Heim, The intelligent battery sensor, ADAC 2002) thể hiện thống kê của câu lạc bộ ô tô Đức ADAC năm 2002 về sự cố xe do hệ thống điện chủ yếu là do accu. Vì vậy quản lý năng lượng và trạng thái accu là quan trọng tại mọi thời điểm.1: Biểu đồ thống kê sự cố xe do hệ thống điện của ADAC 2002 Accu như là một nguồn năng lượng dự trữ trên xe và nó được giám sát bởi hệ thống quản lý năng lượng, hệ thống đảm bảo cân bằng giữa năng lượng được tạo ra ở máy phát điện, accu và tải điện yêu cầu, đảm bảo xe khởi động được trong mọi thời điểm. Thông qua IBS tình trạng accu được xác định một cách chính xác và liên tục sau đó ECU dựa vào thông tin này tính toán điện áp tối ưu điều khiển máy phát điện thông qua đòng kích từ, tăng tốc độ cầm chừng hay ngắt bớt các phụ tải điện đảm bảo accu được nạp no và không phóng hết điện.
Gần đây hơn, tháng 4 năm 2011 Ford cũng nghiên cứu phát triển điều khiển máy phát điện trên xe với bộ sạc thông minh “Smart charger”. Theo Pete khi hệ thống điện trở nên phức tạp, một bộ tiết chế đơn giản là không đáp ứng đủ nhu cầu điện. Vì lý do đó một vài nhà sản xuất ô tô như Ford, Mazda, Peugeot phải tích hợp 3 một bồ điều khiển máy phát thông minh vào hệ thống sạc. Trong khi ở máy phát truyền thống, điện áp phát ra cố định và được tiết chế điều khiển.
Nhiệm vụ này trong hệ thống sạc mới được giao cho module điều khiển động cơ.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sạc mới Với hệ thống sạc thông minh này dòng điện sạc accu được tối ưu tính toán từ module điều khiển động cơ và thay đổi điện áp phát ra theo tình trạng điện áp của accu. Đúng với tên gọi thông minh hệ thống nhận biết được lúc động cơ khởi động và ngắt dòng kích từ không cho máy phát hoạt động để giảm momen xoắn kéo động cơ. Ở tốc độ cầm chừng thấp mà tải điện lớn PCM sẽ tăng tốc độ cầm chừng lên một ít để tăng công suất đầu ra ở máy phát điện hoặc ngắt bớt các tải điện như hệ thống sưởi, điều hòa đảm bảo cho bình được nạp mà không phải phóng điện. Cũng như ở các model xe khác hệ thống cũng có khả năng tự chuẩn đoán và hoạt động dư phòng.
Khi phát hiện có lỗi xảy ra thì điện áp sạc 13,5V được cố định đảm bảo dòng điện cung cấp cho các hệ thống trên xe. Để tối ưu quá trình sạc, giám sát tình trạng accu, quản lý hệ thống cung cấp năng lượng thông qua ECU thì các nhà sản xuất ô tô nỗi tiếng ở châu âu như Mercedes, Audi, Posche và các hãng mới phát triển gần đây như Hyundai cũng đã nghiên cứu, áp dụng hệ thống sạc thông minh hay máy phát đa điện áp trên các mẫu xe cao cấp của họ. 4 Tình hình nghiên cứu trong nước về hệ thống cung cấp điện trên ô tô về máy phát điện, mạch tiết chế thì có nhiều đề tài thực hiện và thử nghiệm thành công. Nhưng một hệ thống điện thông minh, một máy phát đa điện áp thì vẫn còn mới chưa có nhiều công trình được thực hiện chỉ là đang trong giai đoạn tìm hiểu và phát triển ở các trường đại học.
Vì vậy, với tinh thần nghiên cứu học hỏi cùng với được sự hướng dẫn của Thầy PGS-TS Đỗ Văn Dũng học viên đã quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phát đa điện áp” nhằm giám sát cảnh báo tình trạng accu phóng điện, cải tiến hiệu quả sạc hiện tại một cách tốt hơn hạn chế hiện tượng nước khi accu no kéo dài thêm tuổi thọ. Đề tài nghiên cứu cũng khái quát ra một hệ thống cung cấp điện mới trên ô tô làm cơ sở nền tản để phát triển vấn đề cân bằng năng lượng đáp ứng nhu cầu xã hội và theo kịp thế giới, góp phần phục vụ cho nhiều dự án nghiên cứu tiếp theo được hoàn thiện hơn.3 Mục đích của đề tài - Nghiên cứu khái quát hệ thống cung cấp điện trên ô tô. - Cải tiến hệ thống cung cấp điện trên xe giám sát tình trạng accu dựa vào thông số dòng điện và điện áp sạc tính toán điện áp sạc tối ưu nhằm cải thiện hiệu quả sạc accu hiện tại, khắc phục hiện tượng cạn dung dịch điện phân, đảm bảo accu được nạp no không phóng hết điện. - Dùng vi điều khiển chế tạo bộ tiết chế thông minh điều khiển dòng kích từ cho máy phát điện hiện tại.
- Thử nghiệm mô hình máy phát đa điện áp và đánh giá kết quả.4 Đối tượng và giới hạn của đề tài - Đối tượng nghiên cứu: Máy phát điện trên ô tô và bộ tiết chế - Giới hạn đề tài: Đề tài chỉ tập trung vào hệ thống cung cấp điện trên những dòng xe ô tô du lịch đang lưu hành tại thị trường việt nam, chủ yếu là dùng vi điều khiển để thiết kế chế tạo tiết chế thông minh của máy phát điện có sẵn trên ô tô với điện áp phát ra thay đổi trong một dãy giới hạn nhất định tùy theo chế độ làm việc được tính toán lập trình trước. 5 - Đề tài không đi vào nghiên cứu hệ thống cung cấp điện trên xe điện, xe hydrid và những hệ thống khác trên xe.