Thiết kế chế tạo bộ điều khiển xe E - REV (Extended Range Electric Vehicle)

Đồ án thiết kế chế tạo bộ điều khiển xe E-REV tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM năm 2022

• Tác giả: Nguyễn Gia Bảo
• Người hướng dẫn: ThS. Huỳnh Quốc Việt
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Thiết kế chế tạo bộ điều khiển xe E - REV (Extended Range Electric Vehicle)
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế chế tạo bộ điều khiển xe E REV tại ĐH SPKT

Đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều khiển xe E-REV được triển khai tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Công trình do nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Huỳnh Quốc Việt. Xe E-REV là dòng xe điện mở rộng phạm vi hoạt động. Dòng xe này kết hợp động cơ điện truyền động chính và động cơ đốt trong phụ trợ. Động cơ nhiệt không trực tiếp dẫn động bánh xe. Bộ phận này chỉ đóng vai trò kéo máy phát điện để nạp pin. Giải pháp này khắc phục nhược điểm cự ly di chuyển ngắn của ô tô điện thuần túy. Hệ thống điều khiển đóng vai trò trung tâm chỉ huy toàn bộ xe. Thiết bị thu thập tín hiệu cảm biến và xử lý logic vận hành. Phần cứng bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển Arduino kết hợp màn hình cảm ứng tương tác. Nhóm tác giả xây dựng mô hình thuật toán trên nền tảng phần mềm MATLAB Simulink. Cấu trúc điều khiển phân tầng đảm bảo luồng năng lượng lưu thông chính xác. Dự án cung cấp giải pháp chuyển đổi phương tiện giao thông xanh phù hợp điều kiện thực tế.

1.1. Cấu trúc truyền động đặc thù của xe điện mở rộng phạm vi

Xe điện mở rộng phạm vi E-REV sở hữu cấu trúc chuỗi độc đáo. Xe khởi hành với dung lượng pin cao áp gần mức tối đa. Động cơ điện đảm nhận toàn bộ sức kéo của phương tiện. Năng lượng điện cung cấp cho motor lấy trực tiếp từ cụm ắc quy. Xe hoàn toàn không phát thải khí độc hại trong chế độ thuần điện. Quá trình phanh tái sinh hỗ trợ thu hồi một phần động năng hao phí. Khi dung lượng pin sụt giảm xuống dưới ngưỡng cài đặt trước, hệ thống tự động chuyển sang chế độ mở rộng hành trình. Động cơ đốt trong kích thước nhỏ được kích hoạt nhằm kéo máy phát. Cơ cấu này giữ trạng thái sạc của pin luôn nằm trong dải an toàn.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ trọng tâm của đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đặt ra bốn nhiệm vụ trọng tâm. Nhóm nghiên cứu tiến hành ứng dụng lập trình vi điều khiển Arduino và mô phỏng hệ thống trên MATLAB. Tiếp theo, nhóm thực hiện chế tạo bộ điều khiển động cơ truyền động. Hệ thống thu thập tín hiệu cảm biến và xử lý trung tâm được hoàn thiện đồng bộ. Màn hình cảm ứng tích hợp hiển thị thông số vận hành và hỗ trợ người dùng tương tác trực tiếp. Sản phẩm đầu ra bao gồm mô hình xe E-REV hoàn chỉnh, mã nguồn lập trình và video thực nghiệm. Nghiên cứu khẳng định năng lực tự chủ công nghệ điều khiển ô tô tiên tiến của sinh viên kỹ thuật trong nước.

II. Phân tích thách thức khi thiết kế bộ điều khiển xe E REV tối ưu

Thiết kế bộ điều khiển cho xe E-REV đòi hỏi giải quyết nhiều bài toán kỹ thuật phức tạp. Thách thức lớn nhất nằm ở việc cân bằng năng lượng giữa cụm pin cao áp và động cơ nhiệt. Động cơ đốt trong trên xe thông thường phải đáp ứng cả dải công suất cực đại khi tăng tốc. Điều này khiến động cơ xe truyền thống tiêu tốn nhiều nhiên liệu và phát thải lớn. Ngược lại, động cơ nhiệt trên xe E-REV chỉ cần duy trì công suất trung bình ổn định. Tuy nhiên, việc xác định chính xác thời điểm đóng ngắt động cơ đòi hỏi thuật toán đo lường tin cậy. Sai lệch trong tính toán trạng thái sạc pin dễ dẫn đến hiện tượng chai pin hoặc sụt áp đột ngột. Ngoài ra, việc phối hợp giữa động cơ đốt trong và máy phát điện phát sinh nhiều xung động cơ khí. Tín hiệu nhiễu từ hệ thống đánh lửa và cuộn cảm động cơ điện ảnh hưởng trực tiếp tới mạch vi điều khiển. Bộ xử lý trung tâm phải vừa đọc cảm biến thời gian thực, vừa điều tiết bướm ga chính xác. Các yếu tố này đặt ra yêu cầu khắt khe về độ ổn định của bo mạch điều khiển.

2.1. Nguy cơ suy giảm tuổi thọ do mất cân bằng giữa các khối pin

Cụm ắc quy cao áp trên xe E-REV bao gồm nhiều cell pin ghép nối tiếp. Trong chu kỳ nạp xả liên tục, các cell pin dễ xảy ra tình trạng chênh lệch điện áp. Hiện tượng này xuất phát từ dung lượng thực tế và nội trở không đồng đều giữa các cell. Nếu độ lệch vượt quá ngưỡng cho phép, khối pin yếu nhất sẽ bị xả kiệt sớm. Ngược lại, khối pin có điện áp cao nhất dễ rơi vào trạng thái quá nạp gây cháy nổ. Mất cân bằng cell làm giảm dung lượng hữu dụng của toàn bộ khối ắc quy. Hệ thống điều khiển bắt buộc phải tích hợp mạch giám sát điện áp từng cell. Cơ chế cân bằng chủ động hoặc thụ động trở thành yêu cầu sống còn cho xe.

2.2. Khó khăn trong kiểm soát góc mở bướm ga động cơ nhiệt phụ trợ

Động cơ đốt trong trên xe E-REV cần hoạt động tại điểm có hiệu suất tiêu hao nhiên liệu tối ưu. Khi động cơ khởi động, vận tốc cầm chừng ban đầu duy trì ở mức 1500 vòng/phút. Bộ điều khiển phải can thiệp chính xác vào góc mở bướm ga để nâng dải vòng tua làm việc. Cơ cấu chấp hành sử dụng motor bước hoặc servo thường gặp độ trễ cơ học nhất định. Cảm biến vị trí bướm ga TPS có thể truyền về tín hiệu dao động do rung lắc động cơ. Nếu thuật toán điều khiển không triệt tiêu được sai số tĩnh, tốc độ quay của máy phát điện sẽ chập chờn. Hiện tượng dao động vòng tua trực tiếp làm suy giảm dòng nạp và tăng mức phát thải độc hại.

III. Giải pháp chế tạo bộ điều khiển xe E REV tích hợp Arduino và PID

Nhóm nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM phát triển giải pháp phần cứng và phần mềm chuyên biệt. Hệ thống điều khiển tích hợp bo mạch Arduino đa nhiệm kết hợp các module công suất cao. Thuật toán kiểm soát được mô phỏng kiểm chứng trước trên nền tảng MATLAB Simulink. Bộ điều khiển liên tục tính toán trạng thái sạc tổng thể của hệ thống pin cao áp. Khi dung lượng pin hạ xuống dưới mức 30%, hệ thống tự động kích hoạt chu trình khởi động động cơ nhiệt. Rơ-le cấp nguồn phun xăng đánh lửa và rơ-le củ đề đóng mạch dứt khoát. Ngay sau khi động cơ nổ máy ổn định ở tốc độ cầm chừng, thuật toán PID bắt đầu tham gia điều tiết bướm ga. Motor chấp hành Faulhaber dịch chuyển góc mở theo đúng giá trị tham chiếu được lập trình sẵn. Vị trí bướm ga thực tế được hồi tiếp liên tục qua cảm biến TPS để triệt tiêu sai lệch. Đồng thời, mạch đo chuyên dụng kiểm tra chênh lệch điện áp giữa các cell pin. Giải pháp tổng thể giúp hệ thống vận hành mượt mà và an toàn tuyệt đối.

3.1. Thuật toán tự động kích hoạt động cơ nhiệt theo ngưỡng pin SOC

Thuật toán quản lý nguồn kích hoạt động cơ nhiệt dựa trên trạng thái sạc tổng SOC. Vi điều khiển đọc liên tục tín hiệu điện áp toàn bộ khối ắc quy cao áp. Khi phát hiện chỉ số SOC giảm xuống dưới 30%, chương trình chuyển sang nhánh kích hoạt máy phát. Bộ điều khiển xuất tín hiệu bật rơ-le cấp điện cho hệ thống phun xăng và đánh lửa điện tử. Kế tiếp, rơ-le khởi động đóng mạch để quay trục khuỷu động cơ đốt trong. Quy trình này diễn ra hoàn toàn tự động mà không đòi hỏi thao tác từ người lái. Khi dung lượng pin được nạp trở lại dải an toàn, hệ thống ngắt rơ-le để tắt máy, bảo toàn nhiên liệu tối đa.

3.2. Kiểm soát bướm ga bằng bộ điều khiển PID và cân bằng cell pin

Thuật toán điều khiển bướm ga sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển nhằm đạt độ ổn định cao. Sau giai đoạn garanti, motor Faulhaber điều khiển bướm ga mở theo góc thiết lập. Tín hiệu điện áp từ cảm biến TPS phản ánh góc mở thực tế về vi xử lý. Bộ điều khiển so sánh góc mở thực tế với giá trị chuẩn để bù sai lệch. Song song với đó, hệ thống thực hiện thuật toán cân bằng các khối pin. Sau khi bật dòng kích từ, mạch đo so sánh điện áp giữa khối pin cao nhất và thấp nhất. Nếu mức chênh lệch vượt quá 20% dung lượng, hệ thống tự động xả điện khối pin cao để đưa toàn bộ ắc quy về trạng thái cân bằng.

IV. Ứng dụng thực tiễn bộ điều khiển xe E REV phát triển tại ĐH SPKT

Bộ điều khiển xe E-REV do nhóm nghiên cứu ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chế tạo mang giá trị ứng dụng cao. Sản phẩm thực tế đã được lắp ráp và chạy thử nghiệm thành công trên mô hình xe thu nhỏ. Màn hình cảm ứng hiển thị đầy đủ thông số điện áp, dòng điện, nhiệt độ và trạng thái động cơ. Người vận hành dễ dàng theo dõi dòng năng lượng trực quan theo thời gian thực. Đồ án tạo ra tiền đề học thuật quan trọng cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô. Sinh viên được tiếp cận quy trình thiết kế hệ thống truyền động hybrid nối tiếp từ phần cứng đến phần mềm. Công trình chứng minh tính khả thi của việc nội địa hóa bộ điều khiển phương tiện giao thông thông minh. Trong bối cảnh hạ tầng trạm sạc điện tại Việt Nam còn hạn chế, mô hình E-REV là bước đệm chuyển dịch hoàn hảo. Động cơ đốt trong phụ trợ xóa bỏ hoàn toàn nỗi lo cạn kiệt năng lượng giữa đường của người dùng. Kết quả đồ án mở ra triển vọng ứng dụng trên xe buýt đô thị và xe vận tải nhẹ.

4.1. Kết quả thử nghiệm vận hành mô hình và giao diện tương tác HMI

Quá trình thực nghiệm chứng minh hệ thống điều khiển đáp ứng chính xác các yêu cầu thiết kế ban đầu. Bộ vi điều khiển Arduino xử lý lệnh nhanh chóng mà không gặp lỗi tràn bộ nhớ hay treo chip. Màn hình cảm ứng HMI cập nhật liên tục các thông số kỹ thuật then chốt của xe E-REV. Giao diện đồ họa cho phép người lái chọn chế độ lái và quan sát trực tiếp dung lượng pin từng cell. Các module bảo vệ rơ-le hoạt động dứt khoát khi pin xuống ngưỡng 30% hoặc gặp sự cố quá tải dòng. Toàn bộ dữ liệu vận hành được ghi nhận phục vụ phân tích chuyên sâu trên phần mềm máy tính.

4.2. Tiềm năng ứng dụng công nghệ E REV vào thực tế giao thông Việt Nam

Công nghệ xe điện mở rộng phạm vi sở hữu tiềm năng phát triển vượt bậc tại các đô thị Việt Nam. Phương tiện E-REV loại bỏ áp lực đầu tư hạ tầng trạm sạc siêu nhanh vốn đòi hỏi vốn ngân sách khổng lồ. Xe vận hành bằng động cơ điện êm ái, giảm thiểu tiếng ồn và cắt giảm khí thải độc hại trong khu dân cư đông đúc. Khi di chuyển đường trường, động cơ phụ trợ chạy ở dải hiệu suất cao nhất giúp tiết kiệm xăng đáng kể. Nghiên cứu của ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM cung cấp tài liệu tham khảo quý báu cho các doanh nghiệp lắp ráp ô tô nội địa.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự chuyển dịch cơ cấu phương tiện giao thông từ động cơ đốt trong sang xe điện tại Việt Nam được đánh dấu bằng sự xuất hiện của các dòng xe thuần điện như VinFast VF e34 và các dòng xe lai như Toyota Corolla Cross 1.8HV. Tuy nhiên, điều kiện giao thông đô thị đặc thù tại Việt Nam thường xuyên xảy ra ùn tắc, khiến phương tiện phải dừng và di chuyển liên tục ở dải tốc độ thấp. Trong khi xe thuần điện (BEV) gặp rào cản về cơ sở hạ tầng trạm sạc và giới hạn quãng đường di chuyển, xe động cơ đốt trong truyền thống (ICEV) lại tiêu hao nhiều nhiên liệu và phát thải lớn ở chế độ không tải hoặc tải thấp. Dòng xe điện mở rộng phạm vi (Extended-Range Electric Vehicle - E-REV) là một nhánh của hệ thống hybrid nối tiếp, giải quyết mâu thuẫn này bằng cách sử dụng động cơ điện làm nguồn dẫn động chính và trang bị thêm một động cơ đốt trong (ICE) cỡ nhỏ chỉ dùng để kéo máy phát điện nạp lại cho bộ pin cao áp khi cần thiết.

Xuất phát từ nhu cầu nghiên cứu điều khiển tự động các hệ thống trên phương tiện thông minh, đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chế tạo bộ điều khiển xe E - REV (Extended Range Electric Vehicle)" do nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện (thời gian từ 23/02/2022 đến 10/08/2022) tập trung vào các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể sau:

1. Nghiên cứu và nắm vững chiến thuật điều khiển quản lý năng lượng trên xe E-REV.
2. Xây dựng mô hình mô phỏng trạng thái nạp (SOC) và chu trình nạp năng lượng của xe E-REV bằng phần mềm MATLAB/Simulink.
3. Ứng dụng giải thuật PID để điều khiển vị trí bướm ga của động cơ đốt trong thông qua mô-tơ DC servo Faulhaber nhằm kiểm soát điện áp và công suất phát nạp.
4. Thiết kế và chế tạo phần cứng hộp điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển Arduino (Mega 2560 và Uno) để thu thập, xử lý tín hiệu từ các cảm biến trên xe và xuất tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành.
5. Thiết kế và thi công hệ thống mạch nạp cùng mạch cân bằng dung lượng thụ động (Passive Balancing) cho cụm ắc quy cao áp.
6. Thiết kế giao diện hiển thị dữ liệu hoạt động và cho phép người dùng tương tác với hệ thống xe trên màn hình cảm ứng Nextion 7 inches.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống điều khiển tự động trên mô hình xe E-REV 2 chỗ ngồi, sử dụng động cơ xăng xe máy Honda Wave RSX FI-AT 110cc làm nguồn động lực kéo máy phát, kết hợp cụm pin niken hidrua kim loại (NiMH) tháo từ xe Toyota Prius và động cơ điện kéo BLDC BM1424HQF (2,2 kW - 60V). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc thiết kế mạch điện tử, lập trình thuật toán nhúng và chạy thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình xe tại trường đại học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý luận của đồ án dựa trên cấu trúc truyền động hybrid nối tiếp của xe E-REV. Khác với dòng xe thuần điện BEV hay hybrid song song, xe E-REV vận hành hoàn toàn bằng motor điện từ nguồn pin dung lượng trung bình (khoảng 10 - 20 kWh trên xe thương mại). Động cơ nhiệt không nối trực tiếp với hệ thống truyền lực đến bánh xe mà chỉ vận hành ở chế độ tối ưu (vòng tua không đổi, tải ổn định) để kéo máy phát điện khi mức năng lượng trong pin xuống thấp, từ đó triệt tiêu hoàn toàn chế độ chạy không tải gây lãng phí nhiên liệu.

Về nguồn lưu trữ năng lượng, đồ án so sánh các đặc tính giữa ắc quy chì - axit truyền thống và pin NiMH. Mặc dù ắc quy chì - axit có chi phí thấp nhưng mật độ năng lượng thấp, tuổi thọ ngắn (khoảng 3 năm) và chứa kim loại nặng gây hại môi trường. Pin NiMH (sử dụng trên Toyota Prius thế hệ đầu và bản 2022) có khả năng làm việc bền bỉ trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, mức độ tái chế cao dù mật độ năng lượng thấp hơn pin Lithium-ion khoảng 40%. Phương pháp nạp được áp dụng là phương pháp nạp đẳng áp (điện áp nguồn nạp không đổi trong khoảng 2,3 - 2,5 V cho mỗi ngăn đơn), cho phép dòng nạp tự động giảm dần theo thời gian nhằm bảo vệ bộ pin.

Về quản lý pin (Battery Management System - BMS), hệ thống giám sát hai chỉ số trọng yếu: Trạng thái nạp (State of Charge - SOC) và Độ sâu xả (Depth of Discharge - DOD). Để xử lý sự mất cân bằng điện áp giữa các cell pin mắc nối tiếp do sai lệch nội trở và dung lượng sau thời gian sử dụng, tác giả phân tích hai giải pháp: cân bằng chủ động (Active Balancing - chuyển năng lượng qua tụ điện/cuộn cảm) và cân bằng bị động (Passive Balancing - xả năng lượng thừa qua điện trở nhiệt). Giải pháp cân bằng bị động được chọn để thi công nhờ ưu điểm cấu tạo đơn giản, độ tin cậy cao và chi phí phù hợp.

Về lý thuyết điều khiển tự động, thuật toán PID (Proportional - Integral - Derivative) số rời rạc được áp dụng để điều khiển vị trí bướm ga động cơ nhiệt. Phương trình điều khiển trên miền Z được biến đổi về hệ phương trình sai phân rời rạc phục vụ lập trình nhúng:

$$u(k) = \frac{\alpha \cdot e(k) + \beta \cdot e(k-1) + \gamma \cdot e(k-2) + \Delta \cdot u(k-1)}{\Delta}$$

Trong đó các hệ số được tính toán dựa trên chu kỳ lấy mẫu $T$ và các thông số độ lợi:

• $\Delta = 2T$
• $\alpha = 2T \cdot K_p + K_i \cdot T^2 + 2K_d$
• $\beta = K_i \cdot T^2 - 2T \cdot K_p - 4K_d$
• $\gamma = 2K_d$

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa:

• Phương pháp tính toán cơ học động lực học ô tô để xác định các lực cản (cản lăn, cản gió, quán tính) và công suất tiêu thụ của phương tiện.
• Phương pháp mô phỏng số bằng phần mềm MATLAB/Simulink nhằm kiểm chứng chiến thuật quản lý năng lượng và đáp ứng của bộ điều khiển PID trước khi triển khai phần cứng.
• Phương pháp thiết kế chế tạo mạch in điện tử (sử dụng Proteus) và lập trình điều khiển nhúng trên nền tảng Arduino kết hợp giao diện HMI Nextion.
• Phương pháp thực nghiệm thực địa trên mô hình xe thực tế nhằm thu thập thông số dòng điện, điện áp, nhiệt độ và tốc độ để hiệu chỉnh hệ thống.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống điều khiển xe E-REV được thiết kế thành một cấu trúc đồng bộ gồm khối xử lý trung tâm, các cảm biến thu thập tín hiệu, các cơ cấu chấp hành và giao diện hiển thị người - máy (HMI).

Thành phần hệ thống	Thông số kỹ thuật / Linh kiện lựa chọn	Chức năng thiết kế
Xe mô hình thử nghiệm	Khối lượng: $M = 400\text{ kg}$; Chỗ ngồi: 2 chỗ; Lốp: 155/70R14; Vận tốc tối đa: $v_{\max} = 50\text{ km/h}$; $C_D = 0{,}3$; $A_f = 1\text{ m}^2$.	Khung gầm thử nghiệm hệ truyền động hybrid nối tiếp
Động cơ điện kéo xe	Motor BLDC BM1424HQF: Công suất định mức 2200 W, điện áp 60 V, tốc độ cực đại 4800 RPM, mô-men xoắn 7,2 Nm, hiệu suất $> 84%$.	Dẫn động chính tới bánh xe chủ động thông qua tỷ số truyền cực đại bằng 10
Động cơ nhiệt (ICE)	Honda Wave RSX FI-AT: Xăng 4 kỳ, 1 xy-lanh làm mát bằng không khí, SOHC, dung tích $109{,}1\text{ cm}^3$, công suất $6{,}28\text{ kW}$ tại 7500 RPM, mô-men xoắn $8{,}65\text{ Nm}$ tại 5500 RPM.	Kéo máy phát điện bổ sung năng lượng ở chế độ tối ưu ($V_{op} = 40\text{ km/h}$)
Cụm ắc quy cao áp	28 cell pin NiMH tháo xe Toyota Prius ($7{,}2\text{ V} - 6{,}5\text{ Ah}$) đấu nối thành 3 khối pin, điện áp danh nghĩa $64{,}8\text{ V}$, dung lượng tính toán $19{,}5\text{ Ah}$.	Cung cấp nguồn điện cho motor BLDC và tiếp nhận dòng nạp từ máy phát
Cơ cấu điều khiển bướm ga	Mô-tơ DC servo Faulhaber (12 V, 8100 RPM, tỷ số truyền hộp số 64:1 cho đầu ra 120 RPM, tích hợp encoder 2 kênh 12 xung/vòng).	Kéo trục bướm ga theo giải thuật PID hồi tiếp từ cảm biến TPS
Hộp điều khiển trung tâm	Vi điều khiển Arduino Mega 2560 và Arduino Uno, tích hợp mạch cầu H điều khiển mô-tơ bướm ga, cụm relay đề/tắt máy/kích từ.	Tiếp nhận tín hiệu cảm biến, thực thi thuật toán điều khiển và xuất tín hiệu chấp hành
Mạch đo và cảm biến	Cảm biến dòng Hall WCS1800 (35 A), mạch chuyển xung vị trí trục khuỷu CKP, mạch cầu phân áp đo điện áp 3 khối pin, cảm biến tốc độ.	Giám sát trạng thái hoạt động của động cơ, pin và phương tiện
Giao diện HMI	Màn hình HMI Nextion 7 inches cảm ứng điện trở, giao tiếp nối tiếp UART với Arduino qua 2 chân TX/RX.	Hiển thị thông số vận hành và cho phép người dùng điều khiển thiết bị ngoại vi

Chiến thuật điều khiển của hệ thống vận hành theo quy trình logic chặt chẽ:

• Tự động khởi động động cơ nhiệt: Khi mức dung lượng tổng $SOC_{total}$ của cụm pin giảm xuống dưới 30%, bộ điều khiển kích hoạt relay cấp nguồn cho hệ thống phun xăng đánh lửa PGM-FI và relay khởi động động cơ nhiệt.
• Điều khiển góc mở bướm ga: Sau khi nổ máy và chạy không tải ở tốc độ cầm chừng 1500 RPM, bộ điều khiển PID nhận tín hiệu hồi tiếp từ cảm biến vị trí bướm ga (TPS) để điều khiển mô-tơ Faulhaber mở bướm ga lên mức 30%, đồng thời đóng relay kích từ để máy phát phát điện nạp cho pin.
• Tự động ngắt nạp: Khi cụm pin được sạc đến ngưỡng $SOC_{total} = 60%$, vi điều khiển điều khiển đóng bướm ga, ngắt dòng kích từ máy phát và kích hoạt relay tắt động cơ đốt trong.
• Cân bằng pin bị động: Khi dòng kích từ đang hoạt động, hệ thống liên tục so sánh điện áp giữa khối pin cao nhất ($CellMax$) và khối pin thấp nhất ($CellMin$). Nếu mức chênh lệch $\Delta SOC > 20%$, transistor tương ứng của khối $CellMax$ sẽ được kích dẫn để xả bớt điện áp qua cụm điện trở xả nhiệt cho đến khi mức chênh lệch giảm xuống dưới 20%.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh giao thông Việt Nam bắt đầu tiếp cận các phương tiện chạy điện. Tác giả phân tích những hạn chế của hạ tầng sạc đối với xe BEV và sự lãng phí nhiên liệu của xe ICEV trong đô thị, từ đó khẳng định tính thực tiễn của giải pháp xe hybrid E-REV. Chương này xác định rõ mục đích nghiên cứu là tự động hóa quá trình kéo máy phát nạp điện cho ắc quy cao áp, cân bằng các khối pin trong lúc nạp và xây dựng giao diện tương tác HMI. Kế hoạch nghiên cứu được chia làm 3 giai đoạn: nghiên cứu lý thuyết/mô phỏng, chế tạo phần cứng/tinh chỉnh phần mềm, và chạy thực nghiệm đánh giá.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết nền tảng lý thuyết kỹ thuật của hệ thống. Tác giả phân tích sơ đồ nguyên lý làm việc của xe E-REV, đánh giá ưu điểm (động cơ nhiệt không chạy không tải, không cần hộp số phức tạp) và nhược điểm (kích thước cụm pin lớn, động cơ nhiệt làm việc ở tải nặng). Nội dung chương tập trung vào các tính toán thiết kế động lực học:

• Tính công suất motor kéo cần thiết đạt $P_t \approx 2019{,}3\text{ W} \approx 2\text{ kW}$ dựa trên vận tốc tính toán $12{,}5\text{ m/s}$ ($45\text{ km/h}$) và thời gian gia tốc dưới 30 giây, từ đó chọn motor BLDC 2200 W - 60 V.
• Tính chọn công suất nguồn điện yêu cầu $P_{pps} \ge 2{,}61\text{ kW}$, thiết kế cụm pin gồm 28 cell pin NiMH Toyota Prius ($7{,}2\text{ V} - 6{,}5\text{ Ah}$) ghép thành 3 khối pin, cho thời gian vận hành lý thuyết đạt 101 phút ở vận tốc $10\text{ km/h}$ với tải 2 người (công suất tiêu thụ 600 W).
• Phân tích chức năng hệ thống BMS (giám sát áp, dòng, nhiệt độ, SOC, DOD, cân bằng cell) và cơ sở toán học của bộ điều khiển PID số rời rạc ứng dụng cho mô-tơ bướm ga Faulhaber.

Chương 3: Lưu đồ thuật toán và mô phỏng MATLAB

Chương 3 thiết lập các lưu đồ thuật toán điều khiển trung tâm và xây dựng mô hình mô phỏng trên MATLAB/Simulink:

• Lưu đồ thuật toán tự động đề nổ khi $SOC_{total} < 30%$, thuật toán điều khiển PID vị trí bướm ga, thuật toán giám sát/cân bằng thụ động khi $\Delta SOC > 20%$ và thuật toán dừng động cơ khi $SOC_{total} \ge 60%$.
• Kết quả mô phỏng Simulink ghi nhận: Tại giây thứ 5, khi $SOC_{total}$ giảm xuống 30%, động cơ nhiệt bắt đầu khởi động; bộ điều khiển PID điều khiển bướm ga mở đạt 30% với độ vọt lố và thời gian đáp ứng được kiểm soát tốt; điện áp và dòng điện máy phát tăng lên nạp vào cụm pin; quá trình cân bằng giữa các khối pin diễn ra xuyên suốt khi SOC trung bình đạt các mốc 35%, 45%, 55% và đạt trạng thái cân bằng; chu trình nạp kết thúc thành công khi pin đạt 60% SOC.

Chương 4: Thiết kế, chế tạo hộp điều khiển và thuật toán điều khiển

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thiết kế, thi công phần cứng điện tử:

• Thiết kế và chế tạo mạch chuyển đổi xung cảm biến CKP (thiết kế mạch in sau khi mô phỏng trên Proteus) nhằm biến đổi xung cảm ứng xoay chiều từ trục khuỷu động cơ Honda Wave thành dạng xung vuông chuẩn TTL đưa vào chân ngắt Arduino để đo tốc độ động cơ (RPM).
• Chế tạo mạch đo điện áp cho 3 khối pin sử dụng cầu phân áp điện trở; ứng dụng cảm biến dòng Hall WCS1800 (đo dòng nạp/xả DC/AC lên tới 35 A).
• Thiết kế mạch nạp và mạch cân bằng thụ động 3 khối pin bằng transistor điều khiển xả qua cụm điện trở nhiệt.
• Thiết kế cụm mạch chấp hành gồm: mạch relay khởi động, mạch relay tắt máy, mạch relay kích từ máy phát, mạch cầu H điều khiển mô-tơ Faulhaber gắn trên họng bướm ga PGM-FI, và đóng gói hoàn thiện hộp điều khiển trung tâm.

Chương 5: Ứng dụng phần mềm Nextion Editor lập trình, thiết kế giao diện hiển thị thông số xe trên màn hình HMI Nextion

Chương 5 trình bày phương pháp lập trình giao diện người - máy trên phần mềm Nextion Editor và kết nối màn hình HMI Nextion 7.0 inches với Arduino qua chuẩn UART:

• Xây dựng cấu trúc đồ họa, tạo bộ font số và chữ, thiết kế hệ thống nút bấm cảm ứng (Touch Event) và thanh tiến trình dữ liệu.
• Thiết lập 4 trang giao diện chức năng chính:
  1. Trang hiển thị chung: Cung cấp thông tin tổng thể về vận tốc xe, SOC tổng, điện áp, dòng điện tổng và các đèn chỉ báo trạng thái.
  2. Trang quản lý Pin: Hiển thị chi tiết điện áp và SOC của từng khối pin riêng biệt (Khối 1, Khối 2, Khối 3).
  3. Trang động cơ: Hiển thị tốc độ vòng tua máy (RPM), góc mở bướm ga thực tế, nhiệt độ dầu động cơ và trạng thái làm việc của động cơ nhiệt.
  4. Trang Electric Motor: Giám sát dòng điện động cơ kéo và cho phép người dùng chạm cảm ứng để bật/tắt motor điện hoặc bật/tắt đèn trần.

Chương 6: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Chương 6 tiến hành thử nghiệm mô hình thực tế trên 3 kịch bản vận hành để đánh giá độ tin cậy và khả năng đáp ứng của toàn bộ hệ thống:

• Chu trình thực nghiệm 1: Cho xe vận hành và duy trì vận tốc ổn định ở dải tốc độ thấp từ 6 đến 7 km/h.
• Chu trình thực nghiệm 2: Tăng tốc và duy trì vận tốc xe trong dải từ 10 đến 12 km/h.
• Chu trình thực nghiệm khởi hành khi dung lượng pin dưới 30% SOC: Kiểm tra khả năng tự kích hoạt của hệ thống. Kết quả ghi nhận hộp điều khiển tự động bật relay đề nổ động cơ Honda Wave, điều khiển bướm ga mở ổn định qua giải thuật PID, kích hoạt dòng nạp từ máy phát vào bộ pin, đồng thời mạch cân bằng thụ động hoạt động ổn định và đo đạc sự biến thiên nhiệt độ trên các điện trở xả nhiệt.

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

Chương 7 tổng kết toàn bộ kết quả chế tạo và thử nghiệm của đề tài, khẳng định nhóm nghiên cứu đã làm chủ được quy trình từ tính toán lý thuyết, mô phỏng đến thi công phần cứng điều khiển cho xe E-REV. Đồng thời, tác giả đề xuất các hướng nâng cấp kỹ thuật cho các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các nhiệm vụ đặt ra với các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Tính toán và chế tạo thành công cấu hình động lực: Đã tính toán và kết nối hoàn chỉnh hệ thống truyền động gồm motor điện BLDC BM1424HQF (2,2 kW - 60 V), động cơ nhiệt phụ trợ Honda Wave RSX FI-AT 110cc ($6{,}28\text{ kW}$) và cụm pin cao áp 28 cell NiMH ($64{,}8\text{ V} - 19{,}5\text{ Ah}$) đáp ứng vận hành cho xe 400 kg.
• Hoàn thiện giải thuật điều khiển và mô phỏng: Đã chứng minh trên mô phỏng MATLAB/Simulink tính khả thi của chiến thuật nạp tự động (kích hoạt tại 30% SOC, ngắt tại 60% SOC) và khả năng kiểm soát bướm ga mở 30% với độ vọt lố nhỏ thông qua giải thuật PID số.
• Chế tạo thành công phần cứng chuyên dụng: Gia công hoàn chỉnh mạch in chuyển đổi xung CKP đo tốc độ động cơ, mạch đo dòng WCS1800, mạch phân áp đo điện áp cell pin và cụm mạch cân bằng thụ động xả nhiệt tự kích hoạt khi $\Delta SOC > 20%$.
• Tích hợp cơ điện tử và HMI hoàn chỉnh: Tích hợp thành công mô-tơ servo Faulhaber vào họng ga xe máy Honda và lập trình hiển thị tương tác thời gian thực 4 trang giao diện trên màn hình cảm ứng Nextion 7 inches qua giao tiếp UART.
• Đóng góp kỹ thuật: Đồ án là công trình thực nghiệm hoàn chỉnh ở cấp độ đại học hiện thực hóa mô hình xe hybrid mở rộng phạm vi (E-REV), cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết từ khâu thiết kế mạch nhúng, thuật toán điều khiển bướm ga điện tử đến tích hợp hệ thống quản lý năng lượng cho xe lai.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các nội dung được nhóm tác giả nêu trong văn bản, đồ án còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

• Phương pháp cân bằng dung lượng cụm pin mới dừng lại ở cân bằng bị động (Passive Balancing), làm tiêu hao năng lượng điện thừa thành nhiệt năng trên điện trở xả, gây lãng phí năng lượng và làm nóng cục bộ cụm mạch.
• Giải thuật PID điều khiển vị trí bướm ga được xác định thông số qua thực nghiệm, chưa tích hợp các giải thuật điều khiển thích nghi để tối ưu hóa trong các điều kiện thay đổi tải phức tạp hoặc bù trừ trễ cơ khí của cụm bánh răng.
• Hệ thống giao tiếp giữa các khối chức năng sử dụng đường truyền nối tiếp UART và tín hiệu Analog riêng lẻ, chưa áp dụng mạng truyền thông tiêu chuẩn công nghiệp ô tô như mạng CAN (Controller Area Network).

Các hướng mở rộng tiếp theo được đề xuất bao gồm:

• Nghiên cứu và chế tạo mạch cân bằng dung lượng chủ động (Active Balancing) sử dụng mạch chuyển đổi DC-DC hoặc tụ điện để thu hồi và luân chuyển năng lượng giữa các cell pin.
• Nghiên cứu giải thuật điều khiển bướm ga thông minh (như điều khiển mờ - Fuzzy Logic hoặc PID thích nghi) nhằm tối ưu suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ đốt trong.
• Nâng cấp hệ thống điều khiển trung tâm tích hợp chuẩn giao tiếp CAN bus giữa BMS, ECU động cơ nhiệt và bộ điều khiển motor điện; đồng thời phát triển thêm cổng sạc ngoài từ lưới điện dân dụng (Plug-in).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.

Các phần có giá trị tham khảo thực tiễn cao bao gồm:

• Phương pháp tính toán chọn công suất hệ truyền động điện và pin cao áp tại Chương 2, cung cấp các công thức động lực học chi tiết cho phương tiện giao thông chạy điện cỡ nhỏ.
• Mô hình khối mô phỏng chiến thuật nạp và cân bằng pin trên MATLAB/Simulink tại Chương 3, có thể tái sử dụng để phát triển các thuật toán quản lý năng lượng nâng cao.
• Sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch in phần cứng tại Chương 4, đặc biệt là mạch xử lý xung cảm biến vị trí trục khuỷu CKP và mạch điều khiển vị trí bướm ga qua mô-tơ DC servo kết hợp cảm biến TPS.
• Phương pháp lập trình và thiết kế giao diện HMI trên màn hình Nextion Editor tại Chương 5, phục vụ việc xây dựng bảng đồng hồ táp-lô kỹ thuật số cho các dòng xe điện tự chế.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lại lựa chọn động cơ xe máy Honda Wave RSX FI-AT 110cc thay vì động cơ ô tô chuyên dụng để kéo máy phát điện?
Trong hệ thống xe E-REV mô hình (khối lượng toàn tải 400 kg, công suất motor điện 2,2 kW), động cơ nhiệt không dẫn động trực tiếp bánh xe mà chỉ đóng vai trò nguồn phụ kéo máy phát. Động cơ Honda Wave RSX FI-AT 110cc có công suất định mức $6{,}28\text{ kW}$ tại 7500 RPM, kích thước nhỏ gọn (trọng lượng khô $27{,}7\text{ kg}$), tích hợp sẵn hệ thống phun xăng điện tử PGM-FI, hoàn toàn đáp ứng mức công suất tiêu thụ tối ưu của motor ($2{,}2\text{ kW}$ ở $40\text{ km/h}$) với chi phí chế tạo mô hình hợp lý.

2. Ngưỡng dung lượng pin (SOC) nào được sử dụng để tự động kích hoạt và tắt chu trình nạp của động cơ đốt trong?
Theo lưu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng tại Chương 3, hệ thống điều khiển tự động bật relay khởi động động cơ nhiệt khi mức dung lượng tổng của cụm pin ($SOC_{total}$) giảm xuống dưới 30%. Động cơ nhiệt hoạt động kéo máy phát sạc cho đến khi $SOC_{total}$ tăng lên đạt mức 60%, tại thời điểm này bộ điều khiển sẽ hạ bướm ga, ngắt dòng kích từ và kích hoạt relay tắt máy.

3. Điều kiện và cơ chế kích hoạt mạch cân bằng giữa các khối pin trong cụm ắc quy cao áp được thiết kế như thế nào?
Mạch cân bằng bị động được kiểm soát bởi hai điều kiện đồng thời: dòng kích từ máy phát đang bật (hệ thống đang nạp) và độ chênh lệch trạng thái nạp giữa khối pin cao nhất ($CellMax$) và khối pin thấp nhất ($CellMin$) lớn hơn 20% ($\Delta SOC > 20%$). Khi thỏa mãn, vi điều khiển kích hoạt transistor để xả bớt điện áp của khối $CellMax$ qua cụm điện trở nhiệt. Khi mức chênh lệch giảm xuống dưới 20%, mạch xả tự động ngắt.

4. Mạch chuyển xung cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP) có vai trò gì và tại sao cần phải thiết kế riêng?
Tín hiệu từ cảm biến CKP trên động cơ Honda Wave là dạng điện áp cảm ứng xoay chiều có biên độ và dạng sóng thay đổi liên tục theo tốc độ động cơ, không thể đưa trực tiếp vào vi điều khiển. Nhóm tác giả phải thiết kế mạch chuyển xung riêng để chỉnh lưu, lọc nhiễu và biến đổi sóng này thành xung vuông chuẩn logic TTL (0 - 5 V) đưa vào chân ngắt ngoài của Arduino, giúp vi điều khiển đo đếm chính xác tốc độ vòng tua máy (RPM).

5. Cơ cấu điều khiển vị trí bướm ga động cơ nhiệt bao gồm những thiết bị phần cứng nào và hoạt động theo giải thuật gì?
Cơ cấu gồm mô-tơ DC servo Faulhaber (12 V, 8100 RPM, trang bị hộp giảm tốc tỷ số 64:1 cho đầu ra 120 RPM, encoder 12 xung/vòng) gắn truyền động bánh răng với trục bướm ga. Vi điều khiển sử dụng giải thuật PID số rời rạc xử lý độ sai lệch giữa vị trí bướm ga đặt (mở 30% khi nạp) và tín hiệu góc mở thực tế hồi tiếp từ cảm biến vị trí bướm ga (TPS) để xuất xung PWM qua mạch cầu H điều khiển mô-tơ Faulhaber.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chế tạo bộ điều khiển xe E - REV (Extended Range Electric Vehicle)" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã nghiên cứu và ứng dụng thành công chiến thuật quản lý năng lượng trên phương tiện hybrid mở rộng phạm vi. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng MATLAB/Simulink và gia công phần cứng nhúng Arduino, nghiên cứu đã tự động hóa hoàn toàn chu trình đề nổ động cơ theo ngưỡng 30% SOC, điều khiển bướm ga điện tử bằng thuật toán PID và giám sát cân bằng pin cao áp. Các kết quả thực nghiệm đạt được trên mô hình xe 400 kg khẳng định tính khả thi kỹ thuật của hệ thống, đóng góp một mô hình học thuật và thực tiễn giá trị cho việc đào tạo, nghiên cứu công nghệ ô tô điện hóa tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Những chiếc xe điện Vinfast VF e34 đã lăn bánh phổ biến trên đường phố Việt Nam, điều đó đánh dấu một kỉ nguyên bùng nổ của xe điện đang diễn ra và đây là thời gian giao thoa giữa xe động cơ đốt trong truyền thống và xe điện. Vì thế, việc kết hợp điểm mạnh của cả 2 loại xe vào thời điểm hiện tại là thành công của dòng xe Hybird, nổi bậc là những chiếc Toyota COROLLA CROSS 1.8HV đang lưu thông trên đường phố Việt Nam hiện nay. Do mật độ giao thông đông đúc ở thành phố cũng như tình trạng đường xá phức tập ở các miền quê nên các mẫu xe hybrid giúp người dùng di chuyển liên tục với quãng đường xa hơn xe thuần điện Với tình trạng kẹt xe thường xuyên ở nước ta, xe phải liên tục dừng và chạy ở tốc độ thấp, động cơ điện của xe hybrid thể thoải mái di chuyển mà không phát thải.

Khi cần di chuyển quãng đường xa hơn thì động cơ đốt trong sẽ đáp ứng một phần năng lượng giúp người lái an tâm đi đến nơi. Với mục đích học tập, nghiên cứu và áp dụng những kiến thức đã học thì nhóm thực hiện đã chọn xe Hybrid làm đề tài nghiên cứu để quản lý được cả động cơ điện lẫn động cơ đốt trong. Nhóm thực hiện xin chọn đề tài “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển xe E - REV (Extended Range Electric Vehicle)” với động cơ Wave RSX FI-AT như là một nguồn công suất để kéo máy phát nạp điện cho ắc quy cao áp của mô hình xe Hybrid. Đề tài này sẽ là đòn bẩy để giúp nhóm thực hiện nghiên cứu sâu về điều khiển tự động các hệ thống trên xe Hybrid thông minh hiện nay.

Mục đích nghiên cứu Điều khiển động cơ đốt trong phát ra công suất phù hợp kéo máy phát điện để nạp điện cho ắc quy cao áp trên mô hình xe hybrid kiểu nối tiếp một cách tự động. Đồng thời việc cân bằng các khối pin trong ắc quy cao áp diễn ra trong quá trình nạp điện. Cuối cùng, tương tác và hiển thị đầy đủ thông tin của xe E - REV lên màn hình cảm ứng Nextion. Mục tiêu đề tài - Hiểu được chiến thuật điều khiển xe E - REV.

- Lập trình điều khiển bật tắt động cơ đốt trong theo mức SOC của ắc quy cao áp dựa theo mô phỏng MATLAB. - Sử dụng thuật toán PID điều khiển công suất động cơ đốt trong phát ra đưa vào máy phát để kiểm soát điện áp nạp. - Thiết kế phần cứng để tiếp nhận các tín hiệu cảm biến vào Arduino, từ đó xuất các tín hiệu điều khiển các bộ phận chấp hành. - Thiết kế, chế tạo hệ thống nạp và cân bằng phù hợp với ắc quy cao áp.

- Hiển thị dữ liệu và tương tác trên màn hình cảm ứng Nextion 7 inches. Đối tượng nghiên cứu - Ứng dụng phần mềm MATLAB mô phỏng các chiến thuật phù hợp. - Ứng dụng phần mềm lập trình nhúng Arduino thu thập tín hiệu cảm biến và điều khiển động cơ và các bộ phận chấp hành. - Ứng dụng phần mềm Nextion thiết kế giao diện hiển thị thông tin và tương tác giữa người dùng và xe E – REV qua màn hình cảm ứng.

- Thiết kế, chế tạo hộp điều khiển trung tâm. - Thiết kế, chế tạo mạch nạp và cân bằng cho ắc quy cao áp phù hợp với mô hình xe E - REV. Phương pháp nghiên cứu Ứng dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết để có cơ sở kiến thức cho đề tài: - Nghiên cứu và ứng dụng ba phần mềm Arduino và MATLAB, Nextion Editor rồi sau đó dần đi vào mục đích nghiên cứu chính của đề tài là điều khiển bướm 2 ga điện tử, bật tắt động cơ, kích hoạt mạch cân bằng một cách tự động và cuối cùng là hiển thị thông tin của xe. - Tham khảo nhiều nguồn tài liệu liên quan đến đề tài từ cơ sở lí thuyết đến thi công phần cứng.

Đặt biệt được sự hướng dẫn chu đáo từ thầy hướng dẫn cũng như việc trao đổi kiến thức cùng các nhóm khác và các anh chị khóa trước. Nội dung nghiên cứu Với sự định hướng của giáo viên hướng dẫn, nhóm đã thực hiện đề tài theo các giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Nghiên cứu các tài liệu, phần mềm liên quan đến đề tài - Ôn lại kiến thức về hệ thống điều khiển động cơ và các cảm biến. - Hiểu rõ các tín hiệu cảm biến và thông số kỹ thuật động cơ Honda Wave RSX AT-FI. - Tìm hiểu về ắc quy cao áp và động cơ điện BLDC.

- Lập trình Arduino thu thập và xử lí các tín hiệu đều khiển cơ cấu chấp hành trên xe. - Mô phỏng MATLAB về tình trạng nạp theo mức SOC. - Thiết kế giao diện hiển thị trên màn hình cảm ứng thông qua phần mềm Nextion Editor cho phép người dùng tương tác với hệ thống. Giai đoạn 2: Thiết kế phần cứng, tinh chỉnh phần mềm phù hợp với kết quả mô phỏng của đề tài.

- Thiết kế và thi công bộ truyền động bánh răng để điều khiển bướm ga dựa trên mục đích áp dụng thuật toán PID. - Thiết kế và thi công mạch thu nhận tín hiệu các cảm biến cho Arduino để làm hộp điều khiển trung tâm. 3 - Thiết kế phần cứng là hệ thống nạp và cân bằng pin. - Hiển thị các thông tin lên màn hình Nextion dựa trên dữ liệu trong Arduino.

- Thiết kế các module tương tác màn hình và hệ thống. Giai đoạn 3: Tiến hành chạy thực nghiệm xe và viết thuyết minh. - Chạy thực nghiệm xe nhiều lần để kiểm chứng độ hiệu quả, chính xác và ổn định. - Làm video về quá trình thực nghiệm.

- Viết thuyết minh bằng Word. - Viết báo cáo bằng Powerpoint để thuyết trình. - Hoàn tất đề tài. 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Mô hình Extended-range electric vehicle 2. Khái niệm Extended-range electric vehicle (E - REV) là một phương tiện được cung cấp năng lượng hoàn toàn bằng một động cơ điện, nhưng có một động cơ nhiệt nhỏ (ICE) để tạo ra năng lượng điện bổ sung. Ngoài ra, phương tiện này có thể được xem như là xe hybrid nối tiếp với ắc quy cao áp lớn hơn nhiều, cụ thể là 10-20 kWh.1 Mô hình ô tô xe E - REV Khi ắc quy cao áp được xả đến một mức nhất định, ICE sẽ được bật để chạy một máy phát cung cấp năng lượng cho động cơ điện hoặc sạc lại cho ắc quy cao 5 áp. Với chiến thuật điều khiển này, giới hạn phạm vi trên xe thuần điện (BEV) có thể được khắc phục bằng cách kéo dài.

Đối với khoảng cách vừa phải, E - REV có thể hoạt động ở chế độ chạy hoàn toàn bằng điện và tiết kiệm năng lượng như BEV (không giống như hybrid song song và các dòng hybrid khác với ắc quy cao áp nhỏ hơn và lượng điện rất hạn chế). Đối với khoảng cách xa hơn, E - REV sử dụng ICE để giữ cho pin được sạc, nhưng tiêu thụ nhiên liệu ít hơn đáng kể so với ICEV thông thường vì hai lý do sau: • Động cơ của E - REV nhỏ hơn đáng kể so với ICEV thông thường - nó chỉ cần đáp ứng nhu cầu năng lượng trung bình vì công suất cao nhất được cung cấp bởi ắc quy cao áp. Mặt khác, động cơ của một ICEV, cũng phải bao gồm các đợt tăng công suất cực đại, ví dụ: tăng tốc. • Động cơ của E - REV hoạt động ở tốc độ không đổi, hiệu quả cao; trong khi đó ICEV cho dù chạy ở tốc độ thấp hoặc cao, trong cả hai trường hợp, hiệu quả của nó thấp.

Các chế độ khác nhau của hoạt động E - REV được hiển thị sơ đồ trong Hình 2.2 chiếc xe bắt đầu hành trình với pin SOC gần 100%. Tất cả sức mạnh của xe được cung cấp bởi động cơ điện, chỉ lấy năng lượng từ pin, và không có khí thải cục bộ. Pin được sạc lại một phần sau mỗi lần phanh tái sinh hoạt động. Khi ắc quy cạn kiệt so với SOC đã được định sẵn - được đánh dấu trong Hình 2.2 ở ba mức độ nghiêm trọng tăng dần, viz., Xanh lục, cam và đỏ - xe chuyển sang chế độ extended-range.

Trong khi xe đang hoạt động ở chế độ này, ICE được bật và khi cần thiết để giữ pin trong vùng SOC được đánh dấu bằng các đường đứt nét màu xanh lá cây và đỏ. Sau hành trình, pin SOC được sạc đầy 100% với nguồn điện lấy từ lưới điện [1].2 Biểu đồ trạng thái sạc của xe E - REV • Ưu điểm: Động cơ đốt trong sẽ không hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được ô nhiễm môi trường. Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp với các loại ô tô. Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe chạy đường dài quá quãng đường quy định dùng cho ác quy.

Sơ đồ này có thể không cần hộp số. • Nhược điểm: Kích thước và dung tích ắc quy lớn. Động cơ đốt trong luôn làm việc trong ở chế độ nặng để cung cấp nguồn điện cho ắc quy nên dễ bị quá tải, tuổi thọ giảm. Nguồn năng lượng sử dụng trên xe điện 2.

Ắc quy chì – axit Ắc quy chì – axit là một trong những kiểu ắc quy đầu tiên trên thế giới, nó được sử dụng rất phổ biến vì giá thành rẻ, vận hành an toàn. Tuy nhiên, loại ắc quy này có mật độ năng lượng thấp nên rất nặng, tuổi thọ kém ( khoảng 3 năm với điều kiện vận hành đúng tiêu chuẩn ), nạp chậm và khó tái chế. Hơn nữa, chì là một chất có hại đối với sức khỏe, nên sau khi hết thời hạn sử dụng không được thu gom và 7 tái chế đúng cách thì ắc quy chì có thể trở thành thảm họa môi trường. Mặc dù ắc quy chì – axit còn tồn tại rất nhiều nhược điểm nhưng nó vẫn chiếm đến 79% thị phần ắc quy trong năm 2008 [2].3 Ắc quy chì - axit 2.

Pin Nicken hidrua kim loại (NiMH) Pin NiMH là dòng pin đang được sử dụng phổ biến trong các loại ô tô điện và hybrid đời cũ Toyota Prius và Honda Insight thế hệ đầu tiên. Mặc dù loại pin này đã xuất hiện từ lâu và có phần ít phổ biến hơn pin Li-thium-ion hiện nay, nhưng pin NiMH vẫn chưa lỗi thời vì nó vẫn được sử dụng trên một số ô tô điện và hybrid hiện nay. Trên thực tế Toyota Prius phiên bản 2022 vẫn sử dụng loại pin này.