Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp ô tô hiện nay, xu hướng phát triển phương tiện giao thông chạy điện (Electric Vehicles - EVs) đang diễn ra mạnh mẽ trên toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Mặc dù công nghệ pin lithium đang nhận được sự tập trung nghiên cứu lớn nhằm phục vụ cho xe điện, ắc quy chì-axit (Lead-Acid Battery) vẫn giữ vai trò thiết yếu không thể thay thế trên phần lớn các dòng xe sử dụng động cơ đốt trong (Internal Combustion Engine - ICE). Ắc quy chì-axit đảm nhận nhiệm vụ cung cấp dòng điện lớn để khởi động động cơ và duy trì nguồn năng lượng ổn định cho các thiết bị điện tử khi máy phát điện (alternator) chưa hoạt động hoặc chưa đáp ứng đủ tải.

Tuy nhiên, các vấn đề kỹ thuật liên quan đến ắc quy chì-axit thường dẫn đến tình trạng xe không thể khởi động hoặc làm gián đoạn hoạt động của hệ thống điện trên xe. Phần lớn các phương tiện hiện hành chưa được trang bị hệ thống chuyên biệt để giám sát liên tục, chẩn đoán trạng thái sức khỏe và đưa ra cảnh báo sớm cho người lái về các nguy cơ hư hỏng của ắc quy chì-axit. Các hệ thống quản lý năng lượng (BMS) trên thị trường đa phần được phát triển dành riêng cho pin gốc Lithium, tạo ra khoảng trống lớn trong việc quản lý và chẩn đoán ắc quy chì-axit truyền thống.

Từ thực tiễn đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Nghiên Cứu và Thiết Kế Module Chẩn Đoán và Quản Lý Ắc Quy Chì-Axit" (Research and Design Module for Diagnosis and Management of Lead-Acid Batteries) được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

  1. Mục tiêu tổng quát: Xây dựng một hệ thống phần cứng và phần mềm hoàn chỉnh nhằm quản lý các thông số vận hành, chẩn đoán tình trạng kỹ thuật và cảnh báo hư hỏng của ắc quy chì-axit trên ô tô.
  2. Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
    • Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và đặc tính phóng/nạp của ắc quy chì-axit.
    • Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng quá trình nạp và xả của ắc quy chì-axit kín khí.
    • Thiết kế, chế tạo module phần cứng thu thập dữ liệu dòng điện, điện áp và nhiệt độ của ắc quy.
    • Lập trình thuật toán tính toán trạng thái sạc (SOC), đánh giá tuổi thọ và kích hoạt cảnh báo lỗi.
    • Thiết kế giao diện người - máy (HMI) trên màn hình cảm ứng để hiển thị thông số và cảnh báo cho người dùng.
    • Thiết kế và chế tạo hộp làm mát (Cooling Box) chủ động sử dụng phần tử nhiệt điện bán dẫn Peltier nhằm bảo vệ nhiệt độ làm việc của ắc quy.
  • Đối tượng nghiên cứu: Ắc quy chì-axit kín khí (Sealed Lead-Acid Battery - 12V, 75Ah) và ắc quy chì-axit ngập dịch (Flooded Lead-Acid Battery) sử dụng trên xe ô tô.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô phỏng quá trình nạp/xả trên phần mềm Matlab/Simulink; thiết kế mạch điện tử thu thập thông số dựa trên vi điều khiển Arduino Mega 2560; thiết kế giao diện HMI qua giao thức UART; thiết kế cơ khí 3D hộp làm mát trên phần mềm SolidWorks và kiểm nghiệm thực nghiệm trên xe.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết điện hóa học của ắc quy chì-axit được phát minh bởi Gaston Planté (1859). Các phản ứng hóa học chính xảy ra tại hai bản cực trong các quá trình vận hành gồm:

  • Quá trình phóng điện (Discharging):

    • Tại cực dương: $\text{PbO}_2 + 3\text{H}^+ + \text{HSO}_4^- + 2e^- \rightarrow \text{PbSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$
    • Tại cực âm: $\text{Pb} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{PbSO}_4 + 2e^- + 2\text{H}^+$
    • Kết quả: Nồng độ dung dịch axit sulfuric ($\text{H}_2\text{SO}_4$) giảm dần, tạo thành chì sunfat ($\text{PbSO}_4$) bám trên các bản cực và sinh ra nước ($\text{H}_2\text{O}$).

  • Quá trình nạp điện (Charging):

    • Tại cực dương: $\text{PbSO}_4 + \text{SO}_4^{2-} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{PbO}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{SO}_4 + 2e^-$
    • Tại cực âm: $2\text{PbSO}_4 + 2\text{H}^+ + 2\text{H}_2\text{O} + 4e^- \rightarrow 2\text{Pb} + 2\text{H}_2\text{SO}_4$
    • Kết quả: Axit sulfuric được tái tạo, nồng độ dung dịch điện phân tăng trở lại.

Các công thức toán học và thông số đặc trưng được ứng dụng:

  • Sức điện động tĩnh của bình đơn: $E_0 = 0.85 + \gamma$ (V), trong đó $\gamma$ là nồng độ dung dịch điện phân quy đổi ở $15^\circ\text{C}$.
  • Sức điện động khi phóng điện: $E_p = U_p + I_p \cdot r_{aq}$ (với $r_{aq}$ là nội trở của ắc quy khi phóng).
  • Sức điện động khi nạp điện: $E_n = U_n - I_n \cdot r_{aq}$ (với $r_{aq}$ là nội trở của ắc quy khi nạp).
  • Dung lượng phóng/nạp: $C_p = I_p \cdot t_p$ và $C_n = I_n \cdot t_n$, đánh giá theo dung lượng phóng chuẩn trong 20 giờ ($C_{20}$).
  • Trạng thái sạc (State of Charge - SOC): $$\text{SoC} (%) = \left( \frac{Q_0 + Q}{Q_{max}} \right) \times 100 = \text{SoC}0 (%) + \left( \frac{Q}{Q{max}} \right) \times 100$$ Trong đó $Q_0$ là điện lượng ban đầu, $Q$ là lượng điện nạp/xả theo thời gian, $Q_{max}$ là điện lượng cực đại của ắc quy.

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập tài liệu chuyên ngành về hệ thống điện ô tô, cấu tạo điện hóa, giao thức truyền thông mạng CAN Bus (ISO tiêu chuẩn) và UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter).
  2. Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống nạp/xả ắc quy trên Matlab/Simulink với nguồn nạp DC 14.5V, điện trở tải phóng điện $R = 1,\Omega$ và khối điều khiển chuyển mạch.
  3. Phương pháp thiết kế - chế tạo thực nghiệm: Lập trình hệ thống vi điều khiển thu thập tín hiệu cảm biến (ADC), thiết kế mạch in, xây dựng giao diện hiển thị đồ họa USART HMI và mô hình hóa cơ khí 3D hộp làm mát bằng SolidWorks trước khi lắp ráp thực tế trên xe.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống module chẩn đoán và quản lý ắc quy chì-axit được thiết kế tích hợp giữa phần cứng đo lường, cơ cấu chấp hành làm mát và phần mềm xử lý - hiển thị.

Hạng mục thành phần Thiết bị / Linh kiện Thông số kỹ thuật & Chức năng
Bộ xử lý trung tâm Arduino Mega 2560 Vi điều khiển 8-bit AVR ATMega2560, chip nạp ATmega16U2, 54 chân Digital I/O (15 chân PWM), 16 ngõ vào Analog, 4 cổng phần cứng UART, thạch anh 16 MHz.
Cảm biến dòng điện WCS1700 (Hall Sensor) Đo dòng DC $\pm70\text{A}$, AC $50\text{A}$; độ nhạy $32\text{mV/A}$; tích hợp IC khuếch đại LM393; lỗ luồn dây dẫn đường kính $9.0\text{mm}$ cách ly điện thế.
Cảm biến điện áp Module 25VDC Mạch phân áp điện trở tỉ lệ 5:1 ($30,\text{k}\Omega$ và $7.5,\text{k}\Omega$), giảm dải đo $0 - 25\text{V}$ về dải ngõ vào Analog $0 - 5\text{V}$ tương thích vi điều khiển.
Cảm biến nhiệt độ NTC Thermistor Điện trở nhiệt có hệ số nhiệt độ âm, giám sát biến thiên nhiệt độ bề mặt và môi trường làm việc của ắc quy.
Cơ cấu hiển thị Màn hình HMI TJC (UART) Màn hình cảm ứng tích hợp bộ nhớ, giao tiếp truyền thông nối tiếp UART với Arduino Mega 2560 qua cổng phần cứng.
Module làm mát Sò lạnh Peltier TEC1-12710 Phần tử bán dẫn nhiệt điện tạo chênh lệch nhiệt độ bề mặt nóng/lạnh, kết hợp quạt tản nhiệt DC và cánh tản nhôm.
Đóng cắt & Nguồn Module Relay 5V (2 kênh) & Buck DC-DC Relay điều khiển đóng/ngắt nguồn sò tản nhiệt và quạt; module hạ áp cung cấp nguồn nuôi ổn định cho mạch điện tử.
Vỏ hộp làm mát Cooling Box (SolidWorks) Hộp bảo vệ cách nhiệt và gá đặt ắc quy cùng hệ thống tản nhiệt được dựng hình 3D và gia công lắp đặt vào khoang động cơ.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương này giới thiệu tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh công nghệ ô tô chuyển giao. Tác giả phân tích rõ sự thiếu hụt của các hệ thống cảnh báo hư hỏng ắc quy chì-axit dành cho người điều khiển phương tiện thông thường. Mục tiêu tổng quát và các mục tiêu cụ thể được xác định rõ ràng, đi kèm tổng quan tình hình nghiên cứu: trong nước chủ yếu tập trung vào pin lithium cho xe điện, trong khi các nghiên cứu quốc tế về dự đoán tuổi thọ ắc quy chì-axit còn nặng tính phòng thí nghiệm, phức tạp và khó tiếp cận trực tiếp với người tiêu dùng cuối.

Chapter 2: Theoretical Basis

Chương 2 trình bày toàn diện nền tảng lý thuyết về ắc quy chì-axit, bao gồm lịch sử phát triển qua các mốc thời gian (John F. Daniell 1836, Gaston Planté 1859, Waldmar Jungner 1899, Thomas Edison 1901, Schlecht & Ackermann 1932, Georg Neumann 1947 và Sony thương mại hóa Li-ion 1991).

Chương này đi sâu vào phân tích cấu tạo chi tiết của ắc quy chì-axit:

  • Vỏ bình (Case): Sản xuất từ Ebonite, Polypropylene phủ lớp lót Polyclovinyl chống axit.
  • Bản cực (Plates): Hợp kim chì-antimon ($\text{Pb}-\text{Sb}$) chứa $87% - 95%,\text{Pb}$ và $5% - 13%,\text{Sb}$; chất tác dụng gồm $\text{PbO}_2$ (cực dương) và $\text{Pb}$ xốp kết hợp phụ gia muối hữu cơ (cực âm).
  • Tấm ngăn (Separators): Làm bằng nhựa PVC dạng lượn sóng, chống ăn mòn.
  • Dung dịch điện phân: $\text{H}_2\text{SO}_4$ có khối lượng riêng từ $1.20 - 1.350,\text{g/cm}^3$, nhiệt độ sôi $210 - 245^\circ\text{F}$, $\text{pH} \approx 1 - 2$, giới hạn nổ dưới LEL là $4.1%$ và giới hạn nổ trên UEL là $74.2%$ (khí Hydro).

Đồng thời, chương 2 thiết lập mô hình mô phỏng quá trình nạp/xả trên Matlab/Simulink:

  • Mô phỏng trạng thái nạp với điện áp nguồn $V_{charge} = 14.5\text{V}$, điện áp tải $V_{load} = 14.5\text{V}$.
  • Mô phỏng trạng thái xả qua điện trở tải $R = 1,\Omega$, điện áp ắc quy duy trì ở mức khoảng $11.6\text{V}$.
  • Trình bày nguyên lý hoạt động của giao thức truyền thông CAN Bus (cấu trúc khung CAN ID, CAN-High, CAN-Low) và UART (Baudrate, khung dữ liệu Start bit, Data 8/9 bit, Parity bit, Stop bit).

Chapter 3: Module Building and Battery Management and Diagnosis Software Design

Chương 3 tập trung vào quy trình thiết kế kỹ thuật, bao gồm việc lựa chọn phần cứng điện tử và xây dựng thuật toán phần mềm:

  • Xây dựng sơ đồ nguyên lý phần cứng kết nối vi điều khiển Arduino Mega 2560 với cảm biến dòng WCS1700, cảm biến điện áp $25\text{VDC}$, điện trở nhiệt NTC Thermistor, màn hình HMI TJC qua cổng UART và module relay điều khiển tải tản nhiệt.
  • Xây dựng thuật toán tính toán trạng thái sạc (SOC) dựa trên mối quan hệ giữa điện áp hở mạch (Open Circuit Voltage - OCV) và dung lượng ắc quy.
  • Lập trình giao diện hiển thị tương tác trên phần mềm USART HMI, thiết kế các trang giám sát thông số thời gian thực và trang đồ thị cảnh báo lỗi.
  • Thiết kế mô hình cơ khí 3D của hộp làm mát (Cooling Box) bằng phần mềm SolidWorks để tối ưu hóa khả năng thoát nhiệt bằng sò nóng lạnh Peltier TEC1-12710 và quạt thông gió.

Chapter 4: Experimental Results

Chương 4 ghi nhận kết quả chế tạo thực tế và thử nghiệm vận hành hệ thống:

  • Hoàn thiện chế tạo hộp module chẩn đoán và hộp làm mát thực tế gắn trên khoang động cơ xe.
  • Kiểm tra khả năng thu thập dữ liệu: Các cảm biến dòng, điện áp và nhiệt độ truyền tín hiệu ổn định về vi điều khiển Arduino Mega 2560 mà không xảy ra hiện tượng trễ hoặc mất gói tin.
  • Đánh giá giao diện hiển thị HMI: Giao diện trang 1 hiển thị đầy đủ các thông số điện áp, dòng điện, nhiệt độ, phần trăm SOC; giao diện trang 2 thể hiện trạng thái đồ thị và lịch sử làm việc.
  • Kiểm tra các tính năng cảnh báo an toàn: Hệ thống kích hoạt cảnh báo nguy hiểm khi điện áp ắc quy sụt giảm xuống dưới ngưỡng cho phép; tự động kích hoạt relay bật sò lạnh Peltier và quạt tản nhiệt khi nhiệt độ ắc quy vượt quá ngưỡng an toàn cài đặt.

Chapter 5: Conclusion and Future Development

Tổng kết các kết quả đạt được về phần cứng, phần mềm và mô hình thực nghiệm; chỉ rõ các điểm còn hạn chế của hệ thống và đề xuất định hướng phát triển tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Mô phỏng động học nạp/xả: Xây dựng thành công mô hình mô phỏng quá trình nạp và xả của ắc quy chì-axit trên Matlab/Simulink, phản ánh đúng đặc tính suy giảm điện áp về $11.6\text{V}$ khi xả tải $1,\Omega$ và đặc tính nạp điện ổn định ở $14.5\text{V}$.
  2. Chế tạo hoàn chỉnh module đo lường & chẩn đoán:
    • Hệ thống phần cứng hoạt động ổn định với vi điều khiển Arduino Mega 2560.
    • Thu thập chính xác tín hiệu dòng điện nạp/xả thông qua cảm biến Hall WCS1700 (dải đo DC $\pm70\text{A}$), điện áp bình qua mạch phân áp $25\text{VDC}$ và nhiệt độ qua cảm biến NTC.
  3. Phát triển giao diện HMI trực quan: Màn hình cảm ứng HMI kết nối UART hiển thị 2 trang giao diện rõ ràng, hiển thị số liệu đo thực tế, mức dung lượng SOC và đồ thị theo dõi.
  4. Cơ chế bảo vệ và làm mát tự động: Phát hiện chính xác các trạng thái bất thường (sụt áp, quá dòng, quá nhiệt) và kích hoạt cơ cấu làm mát bán dẫn Peltier TEC1-12710 kết hợp quạt tản nhiệt để hạ nhiệt độ cho ắc quy.

Đóng góp của đề tài

  • Hiện thực hóa giải pháp quản lý và chẩn đoán trạng thái kỹ thuật dành riêng cho ắc quy chì-axit trên ô tô — một đối tượng ít được quan tâm so với pin lithium nhưng lại có tỷ lệ sử dụng rất lớn trên xe động cơ đốt trong.
  • Đưa ra giải pháp tích hợp cả chức năng chẩn đoán điện tử và quản lý nhiệt chủ động bằng công nghệ nhiệt điện bán dẫn, nâng cao độ tin cậy vận hành của hệ thống cung cấp điện trên xe.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Các thuật toán tính toán trạng thái sạc (SOC) và dự đoán tuổi thọ bình (State of Health - SOH) chủ yếu dựa trên mối quan hệ điện áp hở mạch và quy tắc điện trở tĩnh, chưa tích hợp các thuật toán lọc nâng cao (như Extended Kalman Filter) để bù sai số trong môi trường động.
  • Mới chỉ thử nghiệm kết nối dữ liệu đơn lẻ qua chuẩn UART lên màn hình HMI độc lập, chưa tích hợp truyền thông trực tiếp vào mạng CAN Bus sẵn có trên hệ thống điều khiển của ô tô.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nâng cấp phần cứng để kết nối trực tiếp vào mạng giao tiếp CAN Bus của ô tô, cho phép gửi dữ liệu chẩn đoán về ECU trung tâm hoặc hiển thị trực tiếp lên bảng đồng hồ tablo của xe.
  • Ứng dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI / Machine Learning) để phân tích dữ liệu lịch sử nạp/xả, từ đó nâng cao độ chính xác trong việc dự báo tuổi thọ còn lại (SOH) và cảnh báo nguy cơ hỏng hóc sớm của bản cực ắc quy.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng nạp/xả ắc quy trên Matlab/Simulink; quy trình thiết kế mạch nhúng thu thập dữ liệu cảm biến công suất lớn; kỹ thuật lập trình giao diện màn hình cảm ứng HMI qua giao thức UART.
  • Kỹ sư và kỹ thuật viên bảo dưỡng ô tô: Tham khảo sơ đồ thiết kế hộp làm mát chủ động sử dụng sò nóng lạnh Peltier và các ngưỡng thông số chẩn đoán an toàn cho ắc quy chì-axit trên phương tiện thương mại.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng những loại cảm biến nào để thu thập thông số của ắc quy?
Hệ thống sử dụng cảm biến dòng điện hiệu ứng Hall WCS1700 (đo dòng DC $\pm70\text{A}$ và AC $50\text{A}$ với độ nhạy $32\text{mV/A}$), module cảm biến điện áp $25\text{VDC}$ (hoạt động theo nguyên lý cầu phân áp trở tỉ lệ 5:1 gồm trở $30,\text{k}\Omega$ và $7.5,\text{k}\Omega$) và cảm biến nhiệt trở hệ số âm NTC Thermistor để đo nhiệt độ bề mặt ắc quy.

2. Quá trình mô phỏng nạp và xả trên Matlab/Simulink được thiết lập với các thông số nào?
Mô hình mô phỏng sử dụng nguồn cấp sạc một chiều $V_{charge} = 14.5\text{V}$, điện trở tải mô phỏng quá trình phóng điện $R = 1,\Omega$, và khóa chuyển mạch (Switch) trạng thái 0 (mở - xả bình) và trạng thái 1 (đóng - nạp bình) để theo dõi biến thiên của dung lượng SOC, dòng điện và điện áp bình.

3. Cơ chế làm mát chủ động cho ắc quy được thiết kế và vận hành như thế nào?
Hệ thống làm mát sử dụng phần tử nhiệt điện bán dẫn Peltier TEC1-12710 gắn trên hộp làm mát (Cooling Box) được thiết kế 3D bằng SolidWorks. Khi cảm biến NTC ghi nhận nhiệt độ ắc quy vượt quá ngưỡng giới hạn, vi điều khiển Arduino Mega 2560 kích hoạt module Relay 5V đóng nguồn cho sò lạnh Peltier và quạt tản nhiệt để hạ nhiệt độ cho bình.

4. Màn hình HMI kết nối với bộ điều khiển trung tâm thông qua chuẩn giao tiếp nào?
Màn hình cảm ứng HMI TJC kết nối với vi điều khiển Arduino Mega 2560 thông qua chuẩn giao tiếp nối tiếp không đồng bộ UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), sử dụng phần mềm chuyên dụng USART HMI để thiết kế các nút điều khiển, ô hiển thị số liệu và đồ thị thông số kỹ thuật.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên Cứu và Thiết Kế Module Chẩn Đoán và Quản Lý Ắc Quy Chì-Axit" đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết điện hóa đến thiết kế chế tạo hệ thống thực nghiệm trên ô tô. Đề tài kết hợp thành công mô phỏng số trên Matlab/Simulink với việc phát triển module phần cứng thu thập thông số (dòng điện, điện áp, nhiệt độ) trên nền tảng vi điều khiển Arduino Mega 2560 và giao diện HMI. Hệ thống không chỉ đưa ra các cảnh báo hư hỏng và sụt áp kịp thời mà còn tích hợp cơ chế làm mát chủ động bằng sò nhiệt điện Peltier, góp phần nâng cao độ bền và độ tin cậy vận hành của ắc quy chì-axit trên xe động cơ đốt trong.