Tổng quan luận án

Trong quá trình vận hành của hệ thống điện và điều khiển điện tử trên ô tô, các cơ cấu chấp hành có cấu tạo từ cuộn dây như bobine đánh lửa, kim phun nhiên liệu, van điện từ và rơ-le luôn xuất hiện hiện tượng tự cảm khi chuyển mạch. Quá trình ngắt dòng điện đột ngột qua cuộn sơ cấp của bobine tạo ra các xung suất điện động tự cảm với biên độ từ 200V đến 500V; trong khi các cuộn cảm của kim phun và van điện từ sinh ra các xung điện áp ngược từ 70V đến 120V. Sự lan truyền của hàng loạt xung điện áp cao này trong toàn bộ mạng điện phương tiện gây ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền của các tiếp điểm đóng ngắt, làm giảm tuổi thọ của linh kiện bán dẫn, phát sinh nhiệt lượng dư thừa và gây thất thoát năng lượng.

Các giải pháp kỹ thuật truyền thống thường sử dụng linh kiện thụ động như diode zener, tụ điện hoặc điện trở mắc song song với transistor công suất nhằm dập tắt xung điện áp và bảo vệ mạch điều khiển. Tuy nhiên, các giải pháp này chỉ mang tính triệt tiêu mà chưa tận dụng được nguồn năng lượng điện từ sinh ra. Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là việc thiếu hụt các giải pháp kỹ thuật có khả năng thu hồi, tích trữ và tái sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng điện cảm lãng phí này để cung cấp cho các phụ tải điện hoạt động gián đoạn hoặc tối ưu hóa hoạt động của kim phun xăng trên động cơ.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án là thu hồi và sử dụng lại nguồn năng lượng dưới dạng điện năng từ quá trình chuyển mạch của các bộ chấp hành có cấu tạo từ cuộn cảm thay vì tìm cách triệt tiêu như trước đây. Các nội dung nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về năng lượng điện cảm trên ô tô.
  2. Phân tích các đặc tính cuộn cảm và các cơ cấu chấp hành có tích trữ năng lượng.
  3. Xây dựng mô hình toán học và mô phỏng số các quá trình hoạt động trên cuộn cảm.
  4. Mô hình hóa và phân tích năng lượng trên hệ siêu tụ điện.
  5. Tính toán năng lượng tự cảm có khả năng thu hồi trên bobine và kim phun.
  6. Phân tích hệ siêu tụ khi kết nối với phụ tải điện.
  7. Khảo sát thực tế các dạng sóng và biên độ sức điện động tự cảm.
  8. Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống điện điều khiển động cơ.
  9. Thiết kế mạch trích xuất và thu hồi năng lượng điện cảm.
  10. Thiết kế, thi công hệ thống thu thập, đo lường và kiểm soát năng lượng tái sinh ứng dụng lập trình điều khiển nhúng.
  11. Phân tích đặc tính phụ tải điện gián đoạn, kim phun và đánh giá độ nhạy của kim phun.
  12. Thực nghiệm, phân tích và đánh giá sản phẩm nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm và ô tô thực tế.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống điện điều khiển động cơ Toyota 1TR-FE, nguồn năng lượng điện cảm sinh ra trong quá trình chuyển mạch và các phụ tải điện gián đoạn trên ô tô. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống phun xăng điện tử và hệ thống đánh lửa trực tiếp trên cơ sở động cơ xăng 1TR-FE trang bị trên dòng xe 07 chỗ Toyota Innova, kết hợp với các thử nghiệm trên băng thử mô hình và trên phương tiện thực tế trong phòng thí nghiệm theo chu trình chuẩn.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Xu hướng nghiên cứu thu hồi năng lượng mất mát trên ô tô nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải đã được triển khai qua một số công nghệ thương mại hóa. Điển hình là hệ thống i-ELoop (Intelligent Energy Loop) của hãng Mazda khai thác động năng khi phanh để tích trữ vào tụ điện hai lớp, giúp giảm khoảng 10% mức tiêu hao nhiên liệu. Hãng Toyota áp dụng công nghệ tự động ngắt/khởi động động cơ (Start/Stop Engine) trên các dòng xe Hybrid nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu ở chế độ không tải. Trong khi đó, Audi đã tiến hành phát triển hệ thống thu hồi năng lượng từ hệ thống treo dựa trên nguyên lý chuyển đổi dao động cơ học của giảm xóc thành điện năng nạp vào bộ lưu trữ.

Đối với các nghiên cứu trong nước, các công trình liên quan đến hệ thống đánh lửa và năng lượng điện cảm đã được một số nhóm tác giả công bố:

  • Phan Nguyễn Quí Tâm, Đỗ Quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng, Nguyễn Bá Hải (2015) nghiên cứu thi công hệ thống tích lũy năng lượng điện dạng cảm kháng trên ô tô.
  • Đỗ Quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng, Lê Khánh Tân, Phan Nguyễn Quí Tâm (2015) tổng quan về các hệ thống đánh lửa sử dụng trên động cơ xăng.
  • Đỗ Quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng, Phan Nguyễn Quí Tâm, Lê Khánh Tân (2015) thực hiện tính toán sức điện động tự cảm trên hệ thống đánh lửa lai.
  • Phan Nguyễn Quí Tâm, Đỗ Văn Dũng (2021) nghiên cứu mô phỏng thu hồi năng lượng điện cảm trên ô tô.
  • Phan Nguyễn Quí Tâm, Đỗ Văn Dũng, Nguyễn Bá Hải, Nguyễn Thành Tuyên (2021) đo lường và kiểm soát năng lượng điện cảm trên ô tô sử dụng LabVIEW.
  • Phan Nguyễn Quí Tâm, Đỗ Văn Dũng, Đinh Cao Trí (2021) thiết kế mạch quản lý nguồn năng lượng tự cảm kim phun trên ô tô.

Vị trí của luận án được xác định tại điểm giao giữa lý thuyết cảm ứng điện từ và công nghệ tích trữ năng lượng bằng siêu tụ điện. Tác giả kế thừa các mô hình toán học giải phương trình vi phân quá trình quá độ của mạch R-L-C (như phân tích tại công trình số [26] trong danh mục tham khảo) để xây dựng hệ phương trình dòng điện và điện áp tự cảm; đồng thời giải quyết triệt để khoảng trống thực nghiệm bằng cách tách rời cấu trúc cụm đánh lửa tích hợp để thu hồi năng lượng cuộn sơ cấp và thiết kế bộ chuyển đổi nguồn thông minh 12V/24V phục vụ phụ tải gián đoạn và kim phun.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của đề tài dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ được Faraday phát hiện năm 1831 và định luật Lenz về chiều dòng điện cảm ứng:

$$e_{xtc} = -\frac{d\Phi}{dt} = -L \frac{di}{dt}$$

Trong đó, $L$ là hệ số tự cảm của cuộn dây, đại lượng biểu thị khả năng cản trở dòng điện xoay chiều thông qua cảm kháng $Z_L = 2\pi f L$. Năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn cảm được xác định bởi tích phân:

$$W = \int_{0}^{I} L i , di = \frac{1}{2} L I^2$$

Để mô hình hóa toán học quá trình hoạt động của cuộn cảm trong giai đoạn tích lũy năng lượng, sơ đồ tương đương mạch điều khiển được thiết lập với phương trình vi phân cấp một theo định luật Kirchhoff:

$$L \frac{di}{dt} + R i = U$$

Với $U = U_a - \Delta U_T$ ($U_a$ là điện áp ắc quy, $\Delta U_T$ là độ sụt áp trên khóa bán dẫn). Khi transistor dẫn trong khoảng thời gian $t_d$, dòng điện ngắt đạt giá trị:

$$I_{ng} = \frac{U}{R} \left(1 - e^{-\frac{R}{L} t_d}\right)$$

Trong giai đoạn giải phóng năng lượng khi ngắt mạch, hệ phương trình vi phân cho mạch tương đương chứa điện trở cuộn dây $R$, điện trở rò $r$, điện dung ký sinh $C_2$ và độ tự cảm $L_1$ được giải tích hóa cho ra nghiệm cường độ dòng điện $i_1(t)$ và điện áp tự cảm $V_1(t)$ dưới dạng hàm suy giảm điều hòa:

$$i_1(t) = a e^{xt} \cos(yt) + z e^{xt} \sin(yt)$$

$$V_1(t) = -L_1 \left[(ax - zy) e^{xt} \cos(yt) + (xz + ay) e^{xt} \sin(yt)\right]$$

Mô hình siêu tụ điện (tụ điện hai lớp EDLC) được biểu diễn qua sơ đồ mạch tương đương gồm điện dung $C$, điện trở nối tiếp tương đương $R_{ESR}$ và điện trở rò song song $R_{LK}$. Thông qua phép biến đổi Laplace và biến đổi Laplace ngược, phương trình dòng nạp $i_c(t)$, điện áp nạp $u_c(t)$ và điện áp phóng điện $u_c(t)$ của hệ siêu tụ được xác lập tương ứng với các điều kiện biên. Năng lượng tích lũy tổng cộng của hệ $n$ siêu tụ mắc nối tiếp được tính qua biểu thức:

$$W_{cap} = \frac{1}{2} C_{total} U^2$$

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa lý thuyết (tính toán giải tích, mô phỏng số trên phần mềm MATLAB/Simulink) và phương pháp thực nghiệm đo đạc phần cứng. Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp từ hệ thống đánh lửa và kim phun động cơ Toyota 1TR-FE thông qua máy hiện sóng Tektronix MSO2000B, hệ thống thu thập dữ liệu tự động National Instruments NI USB-6009 và phần mềm giao tiếp LabVIEW.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc thu hồi năng lượng mất mát trên ô tô, nhấn mạnh rằng sự tồn tại của các xung điện áp tự cảm từ 70V đến 500V trên các cuộn dây khi chuyển mạch là một nguồn năng lượng tái sinh tiềm năng. Tác giả phân tích các giải pháp dập xung truyền thống bằng diode, tụ điện và điện trở, chỉ rõ các giải pháp này chỉ giải quyết bài toán bảo vệ linh kiện mà không tái tạo được năng lượng.

Chương này xác định rõ mục tiêu, 12 nội dung nghiên cứu cụ thể, đối tượng khảo sát là động cơ Toyota 1TR-FE, và phạm vi nghiên cứu kết hợp giữa mô hình thực nghiệm và xe Toyota Innova. Toàn bộ luận án được kết cấu thành 5 chương với độ dài 92 trang, bao gồm 73 hình vẽ và 09 bảng biểu số liệu.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về năng lượng điện cảm và hệ siêu tụ điện

Chương 2 đi sâu phân tích nguyên lý điều khiển của hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS và hệ thống kim phun nhiên liệu EFI thông qua tín hiệu điều khiển từ ECU. Tác giả phân tích cấu trúc dạng sóng của xung tự cảm trải qua 6 giai đoạn (từ A đến G), trong đó giai đoạn D (xuất hiện xung điện áp cao) là mục tiêu thu hồi chính.

Mô hình toán học nạp/phóng của cuộn cảm và hệ siêu tụ được xây dựng hoàn chỉnh. Dựa trên các thông số đo đạc thực tế trên động cơ Toyota 1TR-FE, tác giả tiến hành tính toán định lượng năng lượng tự cảm có thể thu hồi:

TT Đại lượng thông số Ký hiệu Giá trị bobine Giá trị kim phun Đơn vị
1 Tốc độ động cơ khảo sát $n_e$ 1000 1000 Vòng/phút
2 Số lượng cơ cấu chấp hành $Z$ 4 4 Cái
3 Điện trở thuần của cuộn dây $R, R_{kp}$ 0,8 0,8 $\Omega$
4 Điện áp hoạt động thực tế $U$ 12,54 12,54 V
5 Hệ số tự cảm cuộn dây $L$ $4,25 \times 10^{-3}$ $24,3 \times 10^{-3}$ H
6 Thời gian ngậm điện tính toán $t_d, t_{kp}$ 0,02 - s
7 Hằng số thời gian điện từ $\tau$ $5,3 \times 10^{-3}$ - s

Kết quả mô phỏng trên MATLAB/Simulink cho thấy năng lượng điện cảm tích lũy trên cuộn sơ cấp bobine đạt giá trị cực đại tại thời điểm ngắt $t_d = 7\text{ ms}$. Năng lượng tự cảm của bobine đạt cao nhất khoảng $0,55\text{ J}$ ở dải tốc độ cầm chừng $750\text{ vòng/phút}$ và giảm dần xuống $0,1\text{ J}$ ở tốc độ $6000\text{ vòng/phút}$ (tỉ lệ nghịch với tốc độ động cơ). Đối với kim phun, năng lượng tự cảm đạt từ $9 \times 10^{-3}\text{ J}$ (tại $750\text{ vòng/phút}$) đến $7 \times 10^{-3}\text{ J}$ (tại $6000\text{ vòng/phút}$). Trong tổng năng lượng điện cảm thu hồi từ hai cơ cấu, bobine đánh lửa chiếm ưu thế vượt trội với tỉ trọng xấp xỉ 98%. Vùng tốc độ vòng tua máy tối ưu nhất để thu hồi năng lượng bobine trong thời gian 01 phút là khoảng $2000\text{ vòng/phút}$.

Chương này cũng phân tích động học kim phun qua 4 giai đoạn nhấc kim ($T_1$ - thời gian trễ dead time, $T_2$ - ty kim bắt đầu nhấc và độ tự cảm tăng $L \to L'$, $T_3$ - ty kim nhấc hoàn toàn, $T_4$ - dòng đạt bão hòa $U/R$). Việc tăng điện áp kích hoạt từ 12V lên 24V được chứng minh bằng lý thuyết là giải pháp rút ngắn giai đoạn $T_1$ và $T_2$, qua đó cải thiện độ nhạy và tính đáp ứng của kim phun.

Chương 3: Thiết kế hệ thống thu hồi và tích trữ năng lượng điện cảm

Chương 3 bắt đầu bằng việc khảo sát thực nghiệm các xung điện áp tự cảm bằng máy hiện sóng Tektronix MSO2000B trên xe ô tô 07 chỗ. Kết quả đo thực tế chỉ ra rằng ở điện áp nguồn 12V, biên độ xung tự cảm trên cuộn sơ cấp bobine đạt xấp xỉ 400V (năng lượng tích lũy $0,252\text{ J}$ tại $20\text{ ms}$), trong khi ở kim phun biên độ đạt 70V (năng lượng tích lũy $0,0117\text{ J}$ tại $10\text{ ms}$).

Để giải quyết hạn chế của cụm DIS nguyên bản (IC đánh lửa và bobine tích hợp liền khối không thể trích xuất xung điện cảm sơ cấp), tác giả đề xuất giải pháp tách rời IC đánh lửa và cuộn dây bobine thành các cụm riêng biệt, tạo dây nối trung gian để dẫn tín hiệu tự cảm về bộ thu hồi mà vẫn bảo toàn tín hiệu phản hồi IGF về ECU.

Hệ thống phần cứng và mô hình thực nghiệm được thiết kế và chế tạo bao gồm:

  • Khung mô hình thực nghiệm bằng thép kích thước $1320 \times 700 \times 1690\text{ mm}$ chứa toàn bộ hệ thống điều khiển động cơ Toyota 1TR-FE.
  • Mạch thu hồi điện áp tự cảm một chiều sử dụng diode công suất cao nạp trực tiếp vào siêu tụ.
  • Thiết bị lưu trữ 1: Khối siêu tụ Maxwell BMOD0058 E016 B02 ($16\text{ V} - 58\text{ F}$) sử dụng cho ứng dụng lưu trữ và cấp nguồn phụ tải gián đoạn.
  • Thiết bị lưu trữ 2: Khối 10 siêu tụ Maxwell BCAP0350 ($2,7\text{ V} - 350\text{ F}$) ghép nối tiếp, vận hành ở điện áp an toàn 24V (điện áp danh định 27V, hệ số an toàn 1,125), cung cấp công suất cực đại đạt $729\text{ W} \approx 0,7\text{ kW}$ dùng cho mạch nâng cao độ nhạy kim phun.
  • Bộ điều khiển và đo lường: Vi điều khiển Arduino Nano kết hợp mạch rơ-le chuyển đổi nguồn tự động, card giao tiếp NI USB-6009 và máy tính hiển thị dữ liệu qua giao diện lập trình LabVIEW. Thuật toán điều khiển nạp thực hiện chuyển sang dùng ắc quy khi điện áp siêu tụ dưới 11V và ngắt ắc quy để dùng hoàn toàn năng lượng siêu tụ khi đạt ngưỡng 14V.

Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá

Chương 4 thực hiện quá trình đánh giá thực nghiệm qua hai giai đoạn cụ thể:

Giai đoạn 1 tiến hành trên mô hình thực nghiệm hệ thống phun xăng đánh lửa. Tác giả thu thập và kiểm chứng năng lượng điện cảm thu hồi từ bobine và kim phun tại các mốc tốc độ từ $1000\text{ vòng/phút}$ đến toàn dải vận hành. Thực nghiệm trên tải điện gián đoạn ghi nhận thời gian duy trì hoạt động của các thiết bị khi sử dụng nguồn năng lượng tích lũy trong siêu tụ (thể hiện tại Bảng 4.1 của luận án). Đồng thời, thực nghiệm cấp nguồn 24V từ siêu tụ cho kim phun cho thấy thời gian đáp ứng nhấc kim giảm rõ rệt so với nguồn ắc quy 12V truyền thống; các phép đo nhiệt độ bề mặt và đặc tuyến nhiệt của kim phun khẳng định thiết bị vận hành an toàn trong giới hạn nhiệt cho phép.

Giai đoạn 2 triển khai toàn bộ hệ thống thu hồi và kiểm soát năng lượng tái sinh lên ô tô thực nghiệm 07 chỗ (Toyota Innova). Phương tiện được vận hành trên băng thử trong phòng thí nghiệm theo chu trình thử nghiệm tiêu chuẩn WLTP CLASS 3. Kết quả đo đạc đường đặc tính công suất và mô-men xoắn của động cơ có lắp đặt bộ thu hồi điện cảm được so sánh đối chứng trực tiếp với hệ thống đánh lửa nguyên thủy, chứng minh hệ thống vận hành ổn định, an toàn và bảo đảm tính năng động lực học của động cơ.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương 5 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt mô hình hóa toán học, thiết kế chế tạo mạch phần cứng, thi công hệ thống giám sát LabVIEW và kết quả thử nghiệm trên mô hình cũng như xe ô tô thực tế. Tác giả đồng thời đưa ra các kiến nghị kỹ thuật về việc tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu này trên các dòng phương tiện và cơ cấu chấp hành khác.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các đóng góp mới về lý luận và thực tiễn đúng như nội dung công bố:

  • Về lý luận và học thuật:
    1. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học của hệ thống thu hồi năng lượng điện cảm trên cơ sở hệ phương trình vi phân và các phép biến đổi Laplace, làm rõ bản chất quy luật hình thành dòng điện và sức điện động tự cảm trong các quá trình quá độ.
    2. Phân tích mô hình hóa hệ siêu tụ điện trong điều kiện tiếp nhận nguồn năng lượng xung tự cảm dạng tắt dần và xác lập các phương trình nạp/phóng giải tích.
    3. Phân tích cơ chế biến thiên độ tự cảm $L \to L'$ trong quá trình nhấc kim phun, thiết lập cơ sở lý thuyết cho việc ứng dụng nguồn điện áp 24V từ siêu tụ nhằm rút ngắn thời gian trễ và nâng cao độ nhạy của kim phun xăng.
  • Về thực tiễn và giải pháp kỹ thuật:
    1. Thiết kế và chế tạo thành công mạch thu hồi năng lượng điện cảm ứng dụng diode chuyên dụng kết hợp với bộ điều khiển vi xử lý Arduino Nano.
    2. Đề xuất giải pháp kỹ thuật chuyển đổi cụm đánh lửa DIS tích hợp thành cụm rời (ECU - IC đánh lửa - bobine riêng biệt), tạo khả năng trích xuất năng lượng tự cảm trên cuộn sơ cấp mà không làm sai lệch tín hiệu điều khiển của động cơ.
    3. Thiết kế, thi công hoàn chỉnh hệ thống kiểm soát và chuyển đổi nguồn điện tự động theo ngưỡng điện áp (ngưỡng ngắt/nạp $11\text{ V} - 14\text{ V}$), tích hợp thu thập dữ liệu qua card NI USB-6009 và giao diện LabVIEW.
    4. Ứng dụng thành công hệ siêu tụ điện: hệ $16\text{ V} - 58\text{ F}$ cho phụ tải gián đoạn và khối siêu tụ nối tiếp $24\text{ V}$ ($729\text{ W}$) cho kim phun; thử nghiệm thành công trên mô hình và ô tô 07 chỗ theo chu trình chuẩn WLTP CLASS 3.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu thể hiện ở phạm vi đối tượng khảo sát: các thử nghiệm chuyên sâu chủ yếu thực hiện trên một mẫu động cơ xăng cụ thể là Toyota 1TR-FE (động cơ 4 xy-lanh) lắp trên xe Toyota Innova. Nguồn năng lượng tự cảm thu hồi từ kim phun còn khá nhỏ ($98%$ năng lượng thu được đến từ bobine đánh lửa). Bên cạnh đó, việc trích xuất năng lượng từ hệ thống DIS nguyên bản đòi hỏi phải can thiệp tách rời kết cấu cơ khí - điện tử của cụm đánh lửa.

Hướng nghiên cứu tiếp được đề xuất bao gồm:

  • Mở rộng phạm vi nghiên cứu và thử nghiệm trên các chủng loại động cơ khác (động cơ nhiều xy-lanh hơn, động cơ phun xăng trực tiếp GDI, hệ thống van biến thiên điện từ).
  • Tích hợp vi mạch thu hồi thành các module kích thước nhỏ gọn hơn để dễ dàng lắp đặt trên các dòng xe thương mại mà không cần hoán cải lớn kết cấu dây điện.
  • Khảo sát sâu hơn về độ bền nhiệt và tuổi thọ lâu dài của kim phun khi hoạt động liên tục ở mức điện áp 24V trong nhiều điều kiện khí hậu khác nhau.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình toán học giải tích cho các mạch điện cảm biến thiên, phương pháp biến đổi Laplace cho hệ siêu tụ điện, và quy trình xây dựng hệ thống đo lường điều khiển nhúng kết nối máy tính qua LabVIEW.
  • Giảng viên và các nhà nghiên cứu: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu chuyên đề trong các học phần Điện - Điện tử ô tô, Hệ thống điều khiển tự động động cơ đốt trong, và chuyên đề Công nghệ tái sinh năng lượng trên phương tiện giao thông.
  • Kỹ sư thiết kế và phát triển hệ thống điện ô tô: Ứng dụng các sơ đồ nguyên lý mạch thu hồi dùng diode, giải pháp kết nối siêu tụ $12\text{ V}/24\text{ V}$ và thuật toán chuyển đổi nguồn dự phòng tự động để cấp điện cho các cơ cấu phụ tải trên xe.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần phải tách rời cụm IC đánh lửa và cuộn dây bobine trong hệ thống DIS nguyên bản?
Trên động cơ Toyota 1TR-FE nguyên bản, IC đánh lửa công suất và cuộn dây bobine được đúc liền trong một khối kín. Cách bố trí này giúp hệ thống nhỏ gọn nhưng làm cho toàn bộ xung điện áp tự cảm sinh ra trên cuộn sơ cấp bị dập tắt bên trong khối IC, không thể can thiệp đấu nối dây để trích xuất năng lượng. Việc tách cụm đánh lửa thành các khối rời (ECU - IC đánh lửa - bobine riêng) giúp tạo ra đường dây kết nối trung gian để dẫn xung điện áp tự cảm về mạch thu hồi siêu tụ, trong khi vẫn bảo đảm truyền nhận chính xác các xung tín hiệu IGT và phản hồi IGF.

2. Tỉ lệ đóng góp năng lượng điện cảm giữa bobine đánh lửa và kim phun xăng là bao nhiêu?
Kết quả tính toán lý thuyết và khảo sát thực tế bằng máy hiện sóng chỉ ra rằng biên độ xung tự cảm của bobine đạt gần 400V (năng lượng tích lũy $0,252\text{ J}$ ở $20\text{ ms}$), trong khi kim phun chỉ đạt 70V (năng lượng tích lũy $0,0117\text{ J}$ ở $10\text{ ms}$). Mức năng lượng của bobine cao hơn kim phun khoảng 20 lần trong mỗi chu kỳ chuyển mạch, và bobine chiếm tới xấp xỉ 98% tổng năng lượng điện cảm có thể thu hồi được giữa hai cơ cấu.

3. Khả năng thu hồi năng lượng điện cảm biến thiên như thế nào theo tốc độ vòng tua động cơ?
Năng lượng điện cảm tích lũy trong mỗi chu kỳ của bobine tỉ lệ nghịch với tốc độ động cơ: đạt giá trị cao nhất khoảng $0,55\text{ J}$ tại tốc độ cầm chừng $750\text{ vòng/phút}$ và giảm xuống mức thấp nhất khoảng $0,1\text{ J}$ ở tốc độ $6000\text{ vòng/phút}$. Khi tính tổng năng lượng có thể thu hồi trong thời gian 01 phút của động cơ 4 xy-lanh, vùng tốc độ vòng tua máy tối ưu nhất cho việc tích lũy năng lượng nằm ở khoảng $2000\text{ vòng/phút}$.

4. Luận án đã lựa chọn và cấu hình các loại siêu tụ điện nào cho từng mục đích nghiên cứu?
Tác giả đã lựa chọn hai cấu hình siêu tụ điện của hãng Maxwell:

  • Cấu hình 1: Khối siêu tụ Maxwell BMOD0058 E016 B02 ($16\text{ V} - 58\text{ F}$) dùng để lưu trữ năng lượng tái sinh cấp cho các phụ tải điện hoạt động gián đoạn.
  • Cấu hình 2: Khối 10 siêu tụ Maxwell BCAP0350 ($2,7\text{ V} - 350\text{ F}$) mắc nối tiếp với mức điện áp làm việc $24\text{ V}$ (hệ số an toàn 1,125 so với điện áp danh định $27\text{ V}$), cho công suất cực đại $729\text{ W} \approx 0,7\text{ kW}$ dùng làm nguồn thứ cấp cấp điện cho kim phun nhằm nâng cao tốc độ nhấc kim.

5. Thuật toán điều khiển chuyển đổi nguồn giữa ắc quy và hệ siêu tụ hoạt động dựa trên các ngưỡng điện áp nào?
Vi điều khiển Arduino Nano giám sát liên tục điện áp trên siêu tụ: nếu điện áp siêu tụ giảm xuống dưới mức $11\text{ V}$, hệ thống sẽ kích hoạt rơ-le chuyển sang sử dụng nguồn điện ắc quy để duy trì hoạt động của tải và nạp lại điện cho siêu tụ; khi nguồn điện cảm tái sinh nạp cho siêu tụ đạt đến ngưỡng $14\text{ V}$, hệ thống sẽ tự động ngắt nguồn ắc quy và chuyển hoàn toàn sang sử dụng năng lượng từ siêu tụ.

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán thu hồi và tái sử dụng năng lượng điện cảm sinh ra từ quá trình chuyển mạch của các cơ cấu chấp hành trên ô tô thông qua mô hình toán học giải tích và hệ thống phần cứng thực nghiệm hoàn chỉnh. Việc kết hợp mạch diode trích xuất xung cao áp, thiết bị lưu trữ siêu tụ điện 12V/24V và thuật toán chuyển mạch tự động đã chứng minh tính khả thi trong việc cung cấp năng lượng cho tải gián đoạn và cải thiện tính đáp ứng của kim phun. Các kết quả thử nghiệm trên mô hình và trên xe Toyota Innova 1TR-FE theo chu trình WLTP CLASS 3 khẳng định hệ thống hoạt động ổn định, bảo đảm an toàn kỹ thuật và mở ra hướng ứng dụng năng lượng tái sinh thiết thực trong ngành kỹ thuật ô tô.