Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo băng thử công suất motor xe điện cỡ nhỏ

Đồ án thiết kế chế tạo băng thử công suất motor xe điện cỡ nhỏ - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Lý Tấn Vương
• 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, thiết kế và chế tạo băng thử công suất motor xe điện cỡ nhỏ
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về băng thử công suất motor xe điện cỡ nhỏ

Băng thử công suất motor xe điện cỡ nhỏ giữ vai trò then chốt trong quy trình đánh giá hệ thống truyền động điện hiện đại. Thiết bị này hỗ trợ xác định chính xác đặc tuyến mô-men xoắn và công suất hữu ích của động cơ. Quá trình kiểm định thực nghiệm giúp phát hiện các khiếm khuyết vận hành tiềm ẩn trước khi lắp ráp đại trà. Tại Khoa Cơ khí Động lực thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, nhu cầu nội địa hóa trang thiết bị thí nghiệm ngày càng cấp thiết. Hệ thống thử nghiệm motor điện cỡ nhỏ đáp ứng mục tiêu đào tạo chuyên sâu và phục vụ nghiên cứu khoa học chuyên ngành. Cơ cấu đo lường chuẩn xác tạo nền tảng vững chắc cho việc tối ưu hóa hiệu suất tiêu thụ năng lượng. Việc kiểm tra động cơ điện trên băng thử còn giảm thiểu đáng kể chi phí thử nghiệm thực địa. Các chỉ số về vòng tua, dòng điện tiêu thụ và nhiệt độ vận hành được thu thập liên tục. Dữ liệu này chứng minh tính khả thi của động cơ trong các điều kiện tải trọng khắc nghiệt. Sự phát triển của các phương tiện giao thông xanh càng làm tăng giá trị ứng dụng của hệ thống kiểm thử này.

1.1. Khái niệm dynamometer đo công suất motor

Dynamometer là thiết bị cơ điện tử chuyên dùng để hấp thụ năng lượng và đo đạc công suất trục quay. Thiết bị tạo ra mô-men cản tương ứng với trạng thái tải thực tế của xe điện. Cấu trúc cơ bản gồm bộ phận tạo tải, trục truyền lực và bộ cảm biến đo lường. Quá trình kiểm nghiệm ghi nhận trực tiếp lực cản và tốc độ góc của trục motor. Từ các đại lượng đo được, hệ thống tự động suy ra mô-men xoắn và công suất cơ học đầu ra. Thiết bị dyno kiểm soát quá trình sinh nhiệt và tản nhiệt của động cơ một cách hiệu quả. Đây là công cụ đo đạc tiêu chuẩn bắt buộc trong quy trình nghiên cứu động cơ xe điện.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đồ án tại ĐH SPKT TPHCM

Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM hướng tới việc làm chủ công nghệ thiết kế thiết bị đo công suất. Mục tiêu trọng tâm là chế tạo hoàn chỉnh mô hình băng thử công suất motor xe điện cỡ nhỏ với chi phí hợp lý. Nhóm nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán đo lường thông số vận hành của động cơ dưới 5kW. Thiết bị cần đảm bảo độ chính xác cao, vận hành bền bỉ và thuận tiện khi lắp đặt. Sản phẩm thực nghiệm phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo tại phòng thí nghiệm ô tô. Kết quả nghiên cứu tạo tiền đề chuyển giao công nghệ và phát triển các hệ thống đo lường công nghiệp trong nước.

II. Phân tích thách thức thiết kế băng thử motor xe điện

Thiết kế băng thử công suất motor xe điện cỡ nhỏ đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa cơ khí chính xác và điện tử điều khiển. Các thiết bị đo công suất nhập khẩu thương mại thường có giá thành rất cao. Chi phí bảo trì và phần mềm bản quyền đắt đỏ gây khó khăn cho việc trang bị rộng rãi tại các trường đại học. Bên cạnh rào cản chi phí, vấn đề tiêu tán nhiệt năng từ quá trình hãm phanh đặt ra thử thách kỹ thuật lớn. Khi motor phát công suất cao, cơ cấu hấp thụ tải sinh ra lượng nhiệt khổng lồ trong thời gian ngắn. Nếu không kiểm soát tốt nhiệt lượng, sai số đo lường sẽ tăng cao và làm hỏng linh kiện. Thêm vào đó, việc loại bỏ rung động cơ học khi trục quay ở dải tốc độ cao là yêu cầu bắt buộc. Rung động bất thường gây nhiễu tín hiệu cảm biến lực và làm giảm độ tin cậy của phép đo. Quá trình xử lý tín hiệu analog từ các cảm biến cũng dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường của motor. Những thách thức này đòi hỏi phương pháp tính toán kết cấu và chống nhiễu nghiêm ngặt.

2.1. Hạn chế của các phương pháp thử nghiệm truyền thống

Phương pháp thử tải truyền thống bằng phanh ma sát cơ khí bộc lộ nhiều điểm yếu cố hữu. Ma sát tiếp xúc trực tiếp làm má phanh mài mòn nhanh chóng theo thời gian. Hiện tượng này dẫn đến mô-men cản mất ổn định trong suốt chu trình đo. Sự suy giảm lực ma sát do nhiệt độ tăng cao làm méo mó kết quả đo công suất thực tế. Ngoài ra, phanh cơ khí phản hồi chậm và khó điều khiển tải liên tục bằng thuật toán số. Hệ thống thử nghiệm thủy lực tuy bền bỉ hơn nhưng cấu tạo cồng kềnh và chi phí bảo dưỡng quá lớn. Do đó, các công nghệ cũ không còn phù hợp để kiểm tra motor điện hiện đại.

2.2. Vấn đề sai số và nhiễu tín hiệu trong đo lường

Đo lường công suất motor điện cỡ nhỏ thường chịu tác động nặng nề từ các nguồn nhiễu ngoại lai. Cảm biến lực Loadcell làm việc ở mức điện áp rất nhỏ tính bằng millivolt. Tín hiệu yếu này dễ bị biến dạng trước trường điện từ phát sinh từ biến tần và cuộn dây motor. Nếu đường dây truyền dẫn thiếu lớp bọc kim chống nhiễu, dữ liệu tải sẽ dao động mất kiểm soát. Bên cạnh đó, sai lệch đồng tâm giữa trục motor và cơ cấu phanh sinh ra ứng suất phụ không mong muốn. Tác động uốn ngoài trục khiến cảm biến ghi nhận giá trị lực ảo, làm sai lệch kết quả tính mô-men xoắn. Việc xử lý triệt để các nguồn sai số cơ và điện là bài toán nan giải.

III. Giải pháp chế tạo băng thử công suất motor xe điện

Đề tài tại ĐH SPKT TPHCM đề xuất giải pháp tích hợp giữa cơ cấu hãm dòng điện Foucault và mạch đo kỹ thuật số. Phanh Foucault hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ không tiếp xúc. Khi đĩa kim loại quay qua từ trường biến thiên, dòng Foucault sinh ra lực cản chống lại chuyển động quay. Giải pháp này giúp điều chỉnh mô-men hãm tuyến tính và êm dịu thông qua việc thay đổi cường độ dòng điện kích từ. Về phần đo lường lực, hệ thống sử dụng cảm biến Loadcell kết hợp mạch chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng HX711 với độ phân giải 24-bit. Tốc độ góc của trục động cơ được xác định chính xác thông qua cảm biến quang học hoặc bộ mã hóa xung encoder. Tín hiệu đo đạc được vi điều khiển trung tâm tiếp nhận, xử lý và truyền trực tiếp lên máy tính qua giao thức truyền thông. Giao diện điều khiển hiển thị trực quan các đồ thị đặc tính của motor theo thời gian thực. Toàn bộ khung gầm cơ khí được gia công từ thép chịu lực định hình, chống rung lắc tối đa.

3.1. Ứng dụng cảm biến Loadcell và vi mạch HX711

Cảm biến lực Loadcell đo biến dạng sử dụng mạch cầu điện trở Wheatstone để nhận diện lực tác dụng từ cánh tay đòn. Khi có lực cản tác động, thanh kim loại bị uốn nhẹ làm biến thiên giá trị điện trở bên trong. Mạch chuyển đổi ADC 24-bit HX711 khuếch đại tín hiệu điện áp vi sai nhỏ và số hóa dữ liệu chuẩn xác. Module này sở hữu tốc độ lấy mẫu ổn định và khả năng lọc nhiễu tần số công nghiệp hiệu quả. Nhờ đó, thông số lực truyền về vi điều khiển luôn duy trì độ nhạy và tính nhất quán cao. Giải pháp kết hợp này tối ưu chi phí linh kiện nhưng vẫn đảm bảo cấp chính xác đo lường kỹ thuật.

3.2. Thuật toán xử lý số liệu và hiển thị kết quả

Thuật toán đo lường tính toán công suất cơ học dựa trên tích số giữa mô-men xoắn và vận tốc góc của trục quay. Vi điều khiển thực hiện thuật toán lọc trung bình trượt nhằm triệt tiêu dao động cơ học đột ngột của cảm biến lực. Dữ liệu sau khi làm sạch được đồng bộ với thông số tốc độ vòng quay từ cảm biến encoder. Phần mềm giám sát trên máy tính tính toán liên tục các thông số công suất hữu ích và tổn hao nhiệt. Giao diện trực quan vẽ biểu đồ đường đặc tính ngoài của motor xe điện ngay trong quá trình thử tải. Kết quả thực nghiệm được tự động xuất ra định dạng bảng biểu để phục vụ phân tích chuyên sâu.

IV. Kết luận và tiềm năng ứng dụng băng thử motor xe điện

Đề tài thiết kế và chế tạo băng thử công suất motor xe điện cỡ nhỏ tại ĐH SPKT TPHCM khẳng định năng lực tự chủ công nghệ đo lường cơ điện tử. Hệ thống thực nghiệm hoàn chỉnh đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ chính xác và tính an toàn vận hành. Sai số đo lường mô-men xoắn và vòng tua được kiểm soát chặt chẽ dưới ngưỡng cho phép. Mô hình này mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong đào tạo thực hành chuyên ngành công nghệ ô tô. Sinh viên và học viên cao học có cơ hội tiếp cận trực quan với công nghệ kiểm định xe điện tiên tiến. Ngoài môi trường giảng dạy học thuật, thiết bị có thể chuyển giao cho các cơ sở sản xuất và xưởng dịch vụ xe điện quy mô vừa và nhỏ. Việc tự chủ thiết kế phần cứng và thuật toán điều khiển giúp giảm phụ thuộc vào các dây chuyền nhập ngoại. Dự án đóng góp tích cực vào tiến trình nghiên cứu phát triển các phương tiện giao thông xanh tại Việt Nam.

4.1. Hiệu quả thực nghiệm và độ chính xác đo lường

Quá trình thử nghiệm thực tế chứng minh hệ thống băng thử vận hành ổn định qua nhiều dải tốc độ và mô-men tải khác nhau. Cảm biến Loadcell kết hợp mạch HX711 cho độ phân giải lực đo chi tiết, giảm thiểu tối đa hiện tượng trôi điểm không. Sai số tổng thể của phép đo công suất luôn nằm trong giới hạn kỹ thuật cho phép của phòng thí nghiệm. Cơ cấu phanh hấp thụ dòng điện Foucault kiểm soát tải mượt mà, không xảy ra hiện tượng giật cục hay trượt cơ học. Hệ thống tản nhiệt hoạt động hiệu quả giúp duy trì tính ổn định của thiết bị khi làm việc liên tục. Dữ liệu thu thập phản ánh chính xác đặc tuyến làm việc danh định của động cơ thử nghiệm.

4.2. Hướng phát triển hoàn thiện hệ thống đo kiểm

Nhằm mở rộng quy mô thử nghiệm, hệ thống băng thử có thể tích hợp thêm các thuật toán điều khiển tải tự động thông minh. Việc bổ sung bộ cảm biến đo nhiệt độ không tiếp xúc tại cuộn dây và ổ bi sẽ giúp đánh giá độ bền nhiệt toàn diện. Nâng cấp hệ thống tản nhiệt cưỡng bức bằng dung dịch cho phép thử nghiệm các loại động cơ có công suất lớn hơn. Phần mềm quản lý cần tích hợp thêm tính năng lưu trữ đám mây và chẩn đoán lỗi tự động bằng trí tuệ nhân tạo. Băng thử công suất motor xe điện hứa hẹn trở thành thiết bị tiêu chuẩn trong các nghiên cứu chuyên sâu về xe điện tại các trường đại học kỹ thuật.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu, ngành công nghiệp giao thông vận tải đang đối mặt với yêu cầu cấp thiết về việc giảm thiểu phát thải khí nhà kính. Dữ liệu thống kê tại Hoa Kỳ năm 2019 cho thấy lượng khí thải từ các phương tiện vận tải sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm tới 26% tổng lượng phát thải khí carbon (CO2). Cùng với sự cạn kiệt và biến động giá của nguồn dầu mỏ, xu hướng chuyển dịch sang các dòng xe chạy điện đang diễn ra mạnh mẽ trên phạm vi toàn cầu. Tại Anh, số lượng ô tô điện đăng ký mới từ năm 2018 đến năm 2021 ghi nhận mức tăng gần gấp đôi qua từng năm. Hàng loạt quốc gia đã ban hành lộ trình thay thế hoàn toàn xe sử dụng động cơ đốt trong: Anh đặt mục tiêu cấm hoàn toàn xe xăng, dầu vào năm 2030; Pháp đặt mốc năm 2040; trong khi Nhật Bản và Hàn Quốc cùng hướng tới mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050 (Hàn Quốc đặt mục tiêu đạt 7,85 triệu xe điện vào năm 2030).

Đối với phương tiện chạy điện, động cơ điện đóng vai trò trung tâm, tương đương với động cơ đốt trong ở xe truyền thống. Hiệu suất vận hành, khả năng tăng tốc và tính ổn định của xe phụ thuộc trực tiếp vào các đặc tính làm việc của motor điện. Do đó, việc đo đạc, kiểm tra và xác định chính xác các đường đặc tính công suất, moment xoắn, dòng điện tiêu thụ và hiệu suất là giai đoạn bắt buộc trong quá trình nghiên cứu, thử nghiệm và tối ưu hóa hệ thống truyền động điện. Phương pháp thực nghiệm tiêu chuẩn hiện nay là sử dụng băng thử công suất (dynamometer). Tuy nhiên, các hệ thống băng thử thương mại thường có chi phí đầu tư lớn và cấu hình phức tạp, tạo ra nhu cầu xây dựng các mô hình băng thử chuyên dụng cho động cơ cỡ nhỏ phục vụ mục đích nghiên cứu và đào tạo học thuật.

Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo băng thử công suất motor xe điện cỡ nhỏ" được thực hiện bởi sinh viên Lý Tấn Vương và Phan Tấn Đạt dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Quang Vũ tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (hoàn thành vào tháng 02 năm 2023).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm năm nội dung cụ thể:

1. Xây dựng được mô hình băng thử công suất cho các động cơ điện cỡ nhỏ.
2. Ứng dụng phần mềm LabVIEW để thiết kế phần mềm cho hệ thống.
3. Ứng dụng phần mềm Arduino để giao tiếp với các module của hệ thống.
4. Xây dựng và thiết lập kênh truyền thông giao tiếp giữa vi điều khiển Arduino và LabVIEW.
5. Đảm bảo phần mềm hoạt động ổn định, xuất ra các thông số và đồ thị chính xác để đánh giá động cơ điện.

Về phạm vi và giới hạn:

• Phạm vi đối tượng: Hệ thống băng thử được thiết kế cơ khí và điều khiển để vận hành thử nghiệm trên các dòng động cơ xe điện cỡ nhỏ (thực nghiệm cụ thể trên động cơ không chổi than BLDC 60V 3000W).
• Phạm vi kỹ thuật: Hệ thống đo lường gián tiếp thông số đầu ra cơ học và điện học; không can thiệp sâu vào cấu trúc điều khiển nội bộ hay thuật toán chuyển mạch bên trong bộ điều khiển của động cơ.
• Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được triển khai thực nghiệm tại xưởng thực hành Khoa Cơ khí Động lực, nghiệm thu tháng 02/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài tổng hợp cơ sở lý thuyết về động cơ điện trên xe và hệ thống băng thử công suất:

• Các loại động cơ điện ứng dụng trên ô tô điện: Động cơ cảm ứng (Induction Motor - IM), Động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ (Permanent Magnet Synchronous Motor - PMSM), Động cơ thay đổi từ trở (Switched Reluctance Motor - SRM) và Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC Motor - BLDC).
• Phân loại Dynamometer: Thiết bị đo lường hấp thụ (bị động) và dẫn động (vạn năng); các dạng kết cấu như AC dynamometer, Chassis dynamometer, dynamometer dòng điện Foucault (Eddy current), dynamometer thủy lực, phanh Prony, phanh dây và phanh nước.
• Khung tính toán cơ học và năng lượng:
  • Moment xoắn ($T$) tính theo nguyên lý phanh Prony: $$T = F \times L$$ Trong đó: $F$ là lực cản đo được bằng cảm biến lực Load Cell (chuyển đổi từ khối lượng $m$ nhân gia tốc trọng trường $g$); $L$ là chiều dài cánh tay đòn cố định (trong thiết kế đồ án chọn $L = 1\text{ ft} = 0{,}3048\text{ m}$).
  • Tốc độ góc ($\omega$) và tốc độ quay ($S$ tính theo đơn vị vòng/phút - RPM) đo bằng cảm biến Hall: $$\omega = \frac{2\pi \times S}{60}$$
  • Công suất cơ có ích ($P$ tính bằng Watt): $$P = T \times \omega = \frac{F \times L \times 2\pi \times S}{60}$$
  • Công suất điện đầu vào ($P_{in}$): $$P_{in} = U \times I$$ Trong đó $U$ là điện áp hiệu dụng và $I$ là dòng điện hiệu dụng cấp vào bộ điều khiển động cơ.
  • Hiệu suất tổng thể ($\eta$): $$\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}} \times 100%$$ Hiệu suất này phản ánh tỷ lệ chuyển đổi từ điện năng sang cơ năng của cả cụm motor kết hợp với bộ điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được tác giả áp dụng gồm các bước:

1. Nghiên cứu tài liệu tổng quan về kết cấu dynamometer và động cơ điện xe hai bánh/ba bánh cỡ nhỏ.
2. Thiết kế cơ khí hệ thống khung đỡ, ray trượt căn chỉnh đồng trục và khớp nối đàn hồi.
3. Thiết kế mạch điện tử thu thập dữ liệu sử dụng vi điều khiển Arduino Uno R3 kết hợp các cảm biến chuyên dụng.
4. Lập trình nhúng trên Arduino và lập trình giao diện thu thập, xử lý tín hiệu, vẽ đồ thị tự động trên nền tảng LabVIEW 2020.
5. Thực nghiệm tạo tải cưỡng bức ở các mức điện áp điều khiển khác nhau (40V, 60V, 80V) trên motor BLDC 60V 3000W để thu thập dữ liệu và xuất báo cáo.

Thiết kế và triển khai hệ thống băng thử

Hệ thống băng thử công suất được thiết kế tích hợp giữa kết cấu cơ khí, khối mạch điều khiển phần cứng và phần mềm máy tính.

Hạng mục	Thành phần	Thông số kỹ thuật / Đặc tính
Động cơ thử nghiệm	Motor BLDC	Điện áp 60V/72V; Công suất 3000W; Moment xoắn 14.1 Nm; Tốc độ sau hộp số 600 RPM; Dòng điện < 58A; Tải trọng xe cho phép < 1800 kg
Bộ tạo tải	Máy phát điện DC có ly hợp từ	Nguyên lý dòng điện xoáy (Eddy current); Nguồn cấp điều khiển < 80V; Điều chỉnh dòng cấp qua mạch tăng áp 10A 600W
Đo lực cản	Load Cell thanh 20kg + HX711	Cảm biến biến dạng (Strain gauge) cầu Wheatstone; Mạch biến đổi ADC 24-bit HX711 kết nối Arduino
Đo tốc độ	Cảm biến từ Hall	LEFIRCKO NJK-5002C NPN; Nam châm gắn trên khớp nối đàn hồi
Đo dòng điện	Cảm biến Hall ACS712	Dải đo cực đại 30A; Đo dòng tiêu thụ cấp cho bộ điều khiển
Đo điện áp	Cầu phân áp 2 điện trở	Tỷ lệ phân áp chuyển đổi dải điện áp cao về mức 0 - 5V cấp vào chân Analog của Arduino
Bộ vi điều khiển	Board Arduino Uno R3	IC nguồn ổn áp L7805CV; Mạch in PCB thiết kế chuyên biệt tích hợp các cổng kết nối cảm biến
Giao tiếp & Phần mềm	LabVIEW 2020 + NI-VISA	Giao tiếp Serial UART qua cổng USB; Cài đặt qua VIPM; Đọc chuỗi, tách chuỗi, tính toán, vẽ đồ thị và xuất Excel

Về mặt cơ khí, khung sườn băng thử được gia công định hình, bố trí ray trượt cho phép tịnh tiến và căn chỉnh tâm trục giữa động cơ thử nghiệm và thiết bị tạo tải một cách linh hoạt. Hai trục được liên kết thông qua khớp nối đàn hồi để triệt tiêu sai lệch góc và giảm rung động. Cánh tay đòn gắn trên vỏ máy phát điện tạo tải tì trực tiếp lên cảm biến Load Cell để ghi nhận lực phản tác dụng sinh ra từ hiện tượng dòng điện xoáy.

Về mặt điều khiển và thu thập dữ liệu, tín hiệu xung từ cảm biến Hall NJK-5002C và tín hiệu số từ mạch ADC HX711 được Arduino Uno R3 đọc và đóng gói thành chuỗi ký tự chuẩn. Chuỗi dữ liệu này được gửi định kỳ qua giao tiếp nối tiếp RS232/UART (cáp USB) lên máy tính. Phần mềm LabVIEW 2020 sử dụng thư viện NI-VISA để nhận chuỗi ký tự, sử dụng các hàm phân tích chuỗi (Scan/Split String) để tách riêng các giá trị lực, tốc độ, dòng điện và điện áp. Dữ liệu sau đó được chuyển đổi sang mảng một chiều (1D Array), đưa vào các khối hàm tính toán công suất ($P$), moment xoắn ($T$) và hiệu suất ($\eta$), đồng thời hiển thị trực quan lên màn hình giao diện dưới dạng đồng hồ số và đồ thị thời gian thực, cuối cùng xuất tự động ra tệp bảng tính Microsoft Excel.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Lí do chọn đề tài

Chương này thiết lập cơ sở thực tiễn của nghiên cứu dựa trên các vấn đề về biến đổi khí hậu do khí thải CO2 từ phương tiện giao thông (chiếm 26% tại Mỹ năm 2019) và sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch. Tác giả dẫn chứng xu hướng gia tăng số lượng xe điện tại Anh (tăng gần gấp đôi mỗi năm trong giai đoạn 2018 - 2021) cùng lộ trình cấm xe động cơ đốt trong của Nhật Bản, Hàn Quốc, Pháp và Anh. Từ yêu cầu đánh giá chính xác các đặc tính vận hành của động cơ điện trên xe, nhóm nghiên cứu xác định nhiệm vụ xây dựng mô hình băng thử công suất cho động cơ điện cỡ nhỏ. Chương 1 cũng trình bày cụ thể năm mục tiêu nghiên cứu, các nội dung triển khai, phương thức thực hiện và giới hạn phạm vi đề tài.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết chuyên ngành về máy điện và thiết bị kiểm định:

• Khái niệm và đặc điểm của các loại động cơ sử dụng trên ô tô điện: động cơ cảm ứng (IM), động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ (PMSM), động cơ thay đổi từ trở (SRM) và động cơ BLDC.
• Định nghĩa, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của dynamometer trong các lĩnh vực kiểm tra khí thải, thử nghiệm động cơ, ứng dụng y tế, công tơ mét, rơ-moóc kéo, kiểm định đầu máy xe lửa và kiểm tra trục trích công suất (PTO).
• Phân tích ưu nhược điểm của các loại dyno: dyno hấp thụ, dyno dẫn động, dyno AC, chassis dyno, dyno dòng điện Foucault, dyno thủy lực, phanh Prony, phanh dây và phanh nước.
• Phương pháp tính toán moment xoắn dựa trên phanh Prony, tốc độ góc và công suất hữu ích, phương pháp tính công suất điện đầu vào và hiệu suất động cơ.
• Phân tích dạng đồ thị đặc tính ngoài của động cơ điện: vùng moment xoắn cực đại ở tốc độ thấp, vùng công suất không đổi khi tăng tốc, sự biến thiên tuyến tính của moment xoắn theo dòng điện ở mức tải cố định, và điểm đỉnh hiệu suất khi vận hành với tải thay đổi.

Chương 3. Thiết kế, chế tạo băng thử công suất motor xe điện cỡ nhỏ

Chương này tập trung vào khâu lựa chọn linh kiện và thiết kế kết cấu phần cứng:

• Lựa chọn động cơ thử nghiệm là dòng motor không chổi than BLDC 60V 3000W; phân tích chi tiết sơ đồ chân và chức năng các giắc cắm trên bộ điều khiển motor (giắc cảm biến Hall, khóa nguồn, tay ga, chuyển số tiến/lùi, chống trộm, phanh ngắt điện, phanh tay, còi lùi, giắc khởi động mềm/cứng Soft/Hard start, công tơ mét).
• Lựa chọn thiết bị tạo tải là máy phát điện DC có ly hợp từ hoạt động theo nguyên lý dòng xoáy Foucault, nguồn cấp < 80V, điều khiển tải bằng mạch tăng áp 10A 600W.
• Lựa chọn và thuyết minh nguyên lý các cảm biến: Load Cell thanh 20kg cấu tạo mạch cầu Wheatstone kết hợp mạch chuyển đổi HX711; cảm biến từ Hall LEFIRCKO NJK-5002C NPN; cảm biến dòng điện Hall ACS712 30A; mạch cầu phân áp hai điện trở để đo điện áp.
• Xây dựng bản vẽ kỹ thuật chi tiết phần khung sườn cơ khí, ray trượt lắp ráp và mô hình 3D tổng thể băng thử trước khi gia công, lắp ráp hoàn thiện.

Chương 4. Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển và phần mềm điều khiển băng thử

Nội dung chương 4 bao gồm việc phát triển phần cứng điều khiển và lập trình phần mềm:

• Xây dựng lưu đồ thuật toán thu nhận tín hiệu từ cảm biến và thuật toán điều khiển bộ tạo tải.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý và sơ đồ nối dây toàn hệ thống; thiết kế mạch in PCB tích hợp vi điều khiển Arduino Uno R3, mạch cấp nguồn 5V sử dụng IC ổn áp L7805CV, mạch đọc tín hiệu cảm biến và mạch điều khiển bộ tạo tải.
• Cài đặt và cấu hình môi trường phần mềm LabVIEW 2020 kết hợp công cụ quản lý gói VIPM để tích hợp trình điều khiển NI-VISA và thư viện Arduino HX711.
• Lập trình giao tiếp nối tiếp giữa Arduino và máy tính; xây dựng các khối chức năng trong LabVIEW bao gồm: khối giao tiếp Arduino, khối đọc và hiển thị chuỗi, khối tách chuỗi và chuyển đổi kiểu dữ liệu, khối lưu trữ giá trị, khối tạo mảng 1D, khối vẽ đồ thị công suất - moment xoắn và khối xuất dữ liệu sang tệp Microsoft Excel.

Chương 5. Thử nghiệm và kết quả

Chương 5 trình bày toàn bộ kết quả thực nghiệm của đề tài:

• Lắp ráp hoàn chỉnh mô hình thực tế của băng thử công suất kết nối với motor BLDC 60V 3000W.
• Kiểm tra hoạt động của giao diện phần mềm LabVIEW; ghi nhận khả năng hiển thị đầy đủ các thông số vận hành của động cơ trên màn hình điều khiển.
• Tiến hành chạy thử nghiệm hệ thống tại ba cấp tải điện áp điều khiển khác nhau: mức tải 40V, mức tải 60V và mức tải 80V.
• Xuất các bảng thông số đánh giá motor và đồ thị đặc tính công suất - moment xoắn ứng với từng mức tải.
• Lưu trữ thành công toàn bộ chuỗi dữ liệu thực nghiệm của motor thử nghiệm về tệp bảng tính Excel.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối tóm tắt các sản phẩm đã hoàn thành, chỉ ra những mặt tồn tại cần cải tiến liên quan đến độ chính xác của cảm biến và phần mềm hiển thị biểu đồ, đồng thời đề xuất phương hướng nâng cấp băng thử trong các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm với các kết quả cụ thể:

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực tế băng thử công suất motor xe điện cỡ nhỏ với cơ cấu khung gá có ray trượt, cho phép dễ dàng gá đặt và thử nghiệm nhiều loại động cơ điện khác nhau.
• Hoàn thành bộ bản vẽ thiết kế khung sườn cơ khí, mô hình mô phỏng 3D và board mạch in PCB tích hợp vi điều khiển Arduino Uno R3 cùng IC ổn áp L7805CV.
• Tích hợp thành công hệ thống cảm biến đo lường gồm: cảm biến lực Load Cell 20kg (kết hợp mạch ADC 24-bit HX711), cảm biến từ Hall LEFIRCKO NJK-5002C NPN đo tốc độ quay, cảm biến dòng điện Hall ACS712 30A và mạch cầu phân áp đo điện áp.
• Xây dựng phần mềm giám sát trên nền tảng LabVIEW 2020: giao tiếp ổn định với Arduino qua NI-VISA, tự động bóc tách chuỗi dữ liệu, tính toán chính xác các thông số cơ học và điện học ($P$, $T$, $\eta$), vẽ đồ thị đặc tính công suất - moment xoắn và tự động trích xuất dữ liệu ra file Excel.
• Đã tiến hành chạy thử nghiệm thực tế thành công trên động cơ BLDC 60V 3000W ở các mức tải điện áp 40V, 60V và 80V.

Các đề xuất và kiến nghị được tác giả nêu ra:

• Cần tiếp tục hoàn thiện phần cứng hệ thống bằng cách thay thế các cảm biến có độ chính xác cao hơn và dải đo rộng hơn để đáp ứng các mức dòng điện cao của motor (dòng cực đại của động cơ có thể lên tới < 58A, vượt dải đo của cảm biến ACS712 30A).
• Tiếp tục nâng cấp và tối ưu hóa các khối thuật toán trong phần mềm LabVIEW nhằm gia tăng tốc độ xử lý dữ liệu và cải thiện độ ổn định của đồ thị hiển thị.

Đóng góp của đồ án: Tác giả đã tự chế tạo thành công một mô hình băng thử công suất dynamometer cỡ nhỏ dạng module với chi phí thấp, tận dụng các linh kiện điện tử phổ biến (Arduino, Load Cell, cảm biến Hall) kết hợp phần mềm công nghiệp LabVIEW. Mô hình cung cấp giải pháp thực nghiệm trực quan cho việc khảo sát đặc tính làm việc của motor xe điện, có thể tái sử dụng cho nhiều loại động cơ điện cỡ nhỏ khác nhau phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu thực hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Về cảm biến đo đạc: Độ chính xác và dải đo của một số cảm biến còn giới hạn (cảm biến dòng ACS712 có giới hạn 30A trong khi động cơ thử nghiệm có dòng tải tối đa < 58A; cảm biến lực Load Cell giới hạn 20kg).
• Về phần mềm: Các khối hiển thị biểu đồ và thuật toán tính toán trên LabVIEW vẫn cần tối ưu để giảm nhiễu và cho kết quả ổn định hơn.
• Về điều khiển động cơ: Băng thử chưa can thiệp sâu vào việc điều khiển, giám sát các chế độ chuyển mạch nội bộ của bộ điều khiển động cơ.
• Về phạm vi đối tượng: Mô hình chỉ thử nghiệm được trên các loại động cơ điện xe điện cỡ nhỏ.

Hướng phát triển đề tài:

• Thay thế và nâng cấp hệ thống cảm biến đo lường với các module cảm biến có dải đo rộng hơn và độ chính xác cao hơn.
• Cải tiến, phát triển phần mềm tính toán và giao diện LabVIEW nhằm nâng cao độ chính xác của các đường đặc tính hiển thị.
• Mở rộng chức năng điều khiển để can thiệp và kiểm soát linh hoạt hơn các trạng thái hoạt động của động cơ thử nghiệm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên, học viên và giảng viên thuộc các ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa.

Các nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:

• Bản vẽ thiết kế cơ khí khung bệ ray trượt điều chỉnh tâm trục và cơ cấu truyền lực phanh Prony ứng dụng ly hợp từ.
• Phương pháp ghép nối phần cứng mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 với module ADC 24-bit HX711 và các cảm biến công nghiệp (Hall sensor, ACS712).
• Cấu trúc chương trình LabVIEW 2020 ứng dụng NI-VISA để xử lý dữ liệu nối tiếp, vẽ đồ thị đặc tính động cơ theo thời gian thực và xuất dữ liệu sang Microsoft Excel.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ điện được nhóm tác giả lựa chọn để thử nghiệm trên băng thử có thông số kỹ thuật như thế nào?
Nhóm tác giả sử dụng động cơ một chiều không chổi than BLDC với điện áp định mức 60V/72V, công suất 3000W, moment xoắn định mức 14.1 Nm, tốc độ qua hộp số 600 RPM, dòng điện tiêu thụ < 58A và khả năng chịu tải trọng xe < 1800 kg.

2. Thiết bị tạo tải trên băng thử hoạt động dựa trên nguyên lý nào và được điều khiển bằng cách nào?
Thiết bị tạo tải là máy phát điện DC có trang bị ly hợp từ, hoạt động theo nguyên lý dòng điện xoáy Foucault (Eddy current). Đĩa quay tạo ra từ trường đối lập cản trở chuyển động quay của trục động cơ và truyền lực qua cánh tay đòn tì lên Load Cell. Nguồn cấp cho thiết bị tạo tải là nguồn DC dưới 80V, mức tải được điều chỉnh thông qua việc thay đổi dòng điện cấp cho ly hợp từ bằng mạch tăng áp 10A 600W.

3. Moment xoắn và công suất động cơ được tính toán thông qua những cảm biến nào?
Moment xoắn được tính theo nguyên lý phanh Prony thông qua lực cản $F$ đo bằng cảm biến lực Load Cell 20kg (kết hợp mạch ADC 24-bit HX711) và chiều dài cánh tay đòn cố định $L = 1\text{ ft}$ ($0{,}3048\text{ m}$). Tốc độ quay $S$ (RPM) được đo bằng cảm biến từ Hall LEFIRCKO NJK-5002C NPN nhận tín hiệu từ nam châm gắn trên khớp nối đàn hồi. Công suất có ích sau đó được tính bằng tích của moment xoắn và tốc độ góc: $P = (F \times L \times 2\pi \times S) / 60$.

4. Khối thu thập dữ liệu giao tiếp với máy tính và phần mềm giám sát qua phương thức nào?
Board Arduino Uno R3 thu thập dữ liệu từ cảm biến và truyền chuỗi ký tự lên máy tính qua giao thức nối tiếp UART/Serial bằng cáp USB. Trên máy tính, phần mềm LabVIEW 2020 sử dụng giao tiếp NI-VISA để nhận chuỗi ký tự, tách chuỗi, đưa vào mảng 1D, tính toán thông số, vẽ đồ thị đặc tính công suất - moment xoắn và tự động ghi dữ liệu vào tệp Excel.

5. Thử nghiệm thực tế trên động cơ BLDC 60V 3000W được tiến hành tại các mức tải nào?
Hệ thống băng thử được đưa vào vận hành thử nghiệm thực tế tại ba mức điện áp điều khiển tạo tải khác nhau là 40V, 60V và 80V để thu thập các thông số đo lường và xây dựng đồ thị đặc tính của động cơ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Lý Tấn Vương và Phan Tấn Đạt đã hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế cơ khí, chế tạo mạch điều khiển và lập trình phần mềm cho hệ thống băng thử công suất motor xe điện cỡ nhỏ. Bằng việc kết hợp vi điều khiển Arduino Uno R3, hệ cảm biến đo lực, tốc độ, dòng điện, điện áp và phần mềm giám sát LabVIEW 2020, hệ thống đã thực hiện thành công các phép đo công suất, moment xoắn và hiệu suất trên động cơ BLDC 60V 3000W ở các mức tải 40V, 60V và 80V. Đây là một công trình thực nghiệm hoàn chỉnh, cung cấp mô hình thiết bị và tài liệu tham khảo có giá trị học thuật cho công tác nghiên cứu và đào tạo chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Lí do chọn đề tài Hiện nay, sự phát triển của ngành ô tô điện đang ngày càng lớn mạnh và được quan tâm hơn do vấn đề ô nhiễm khí thải trên toàn cầu. Trong biểu đồ so sánh những nguồn thải ra CO2 ở Mỹ trong năm 2019, ta có thể thấy được lượng khí thải mà những phương tiện vận chuyển sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch thải ra chiếm đến hơn 1/4 tổng lượng CO2 (26%). Bên cạnh đó là bài toán về các nhiên liệu hóa thạch, các nhiên liệu hiện được sử dụng cho xe ô tô hiện nay đang dần cạn kiệt và giá thành lại ngày một tăng lên.

1: Biểu đồ khí thải nhà kính ở Mỹ theo từng lĩnh vực [3] Và một giải pháp mà người dùng ô tô để có thể giải quyết được những vấn đề này đó là sử dụng xe điện, nguồn nhiên liệu chính của xe là điện có thể được tạo ra một cách rất dễ dàng và giá thành cũng không quá đắt đỏ. Ta có thể thấy thông qua một báo cáo về lượng ô tô điện được đăng ký qua mỗi năm từ 2018 – 2021 tại Anh đã chỉ ra rằng số lượng ô tô điện được đăng ký tăng gần như gấp đôi qua mỗi năm. 2: Lượng tiêu thụ ô tô điện tại Anh từ năm 2018 – 2021 [4] Các quốc gia trên toàn thế giới cũng đang dần lên kế hoạch để thay thế các dòng xe chạy bằng các nhiên liệu như xăng, dầu… bằng xe điện:  Ở Châu Á: 1 - Nhật Bản : Đây là một những quốc gia đầu tiên trong việc thay đổi hoàn toàn xe xăng, dầu bằng xe lai điện hoặc xe điện. Mục tiêu đến năm 2050 của Nhật sẽ có thể trung hòa Carbon.

- Hàn Quốc: Mục tiểu đến năm 2030 sẽ có được 7.85 triệu chiếc xe điện và đến năm 2050 cũng sẽ đạt được mục tiêu trung hòa Carbon.  Ở Châu Âu: - Pháp: Mục tiêu đến năm 2040 sẽ ngưng sử dụng hoàn toàn xe dầu, xăng và thay bằng xe điện. - Anh: Năm 2030, Anh sẽ cho ngưng sử dụng hoàn toàn xe chạy bằng xăng, dầu trên lãnh thổ. Và cũng như các loại xe sử dụng các loại nguyên liệu khác, vấn đề về tối ưu hóa khả năng vận hành luôn là một vấn đề mà bất kỳ nhà sản xuất ô tô nào cũng muốn hướng đến cho các dòng xe của mình.

Làm sao để có thể đánh giá một loại động cơ mới một cách hiệu quả, nhanh chóng cũng như chính xác là một vấn đề đang nhận được rất nhiều sự chú ý của các nhà sản xuất xe cũng như các kỹ sư nghiên cứu. Từ mối quan tâm đó mà các kỹ sư đã nghiên cứu và chế tạo một hệ thống là băng thử công suất. Đây là một phương pháp được sử dụng rất phổ biến hiện nay để giải quyết vấn đề thử nghiệm nhanh công suất của các động cơ điện. Từ băng thử công suất, người dùng có thể vận hành động cơ điện ở nhiều chế độ khác nhau và kiểm tra được rất nhiều thông số như: Dòng điện tiêu thụ, mức điện áp, công suất, moment xoắn, sự dao động, hiệu suất… cũng như tạo nhiều điều kiện tải cho động cơ điện.

Từ đó, ta có thể sẽ xác định, đánh giá được một cách chính xác về công suất, độ hiệu quả, tính ổn định của động cơ. Và để việc đánh giá được chuẩn xác nhất thì việc không ngừng nghiên cứu, cải tiến, phát triển các băng thử công suất này là một việc rất cần thiết. Chính vì thế trong đề tài này, nhóm sẽ tiến hành thực hiện xây dựng một băng thử công suất cho động cơ điện cỡ nhỏ để phục vụ cho mục đích học tập và nghiên cứu về mô hình này.