NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỒ TRƯỜNG THẠNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO
MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP

NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ – MÁY KÉO – 605246

S KC 0 0 4 0 3 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỒ TRƯỜNG THẠNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO
MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP

NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ – MÁY KÉO – 605246

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỒ TRƯỜNG THẠNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO
MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP

NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ – MÁY KÉO – 605246
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09/2013


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên:

HỒ TRƯỜNG THẠNH

Ngày, tháng, năm sinh:
Quê quán:

Giới tính: Nam

06/031985

Nơi sinh: Bến Tre

Xã Phong Mỹ, Giồng Trôm, Bến Tre

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Xã Phong Mỹ, Giồng Trôm, Bến Tre
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng: 0932 422 699

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 03/2009

Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
Ngành học: Cơ Khí Động Lực
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Ứng Dụng Labview Trong Giao
Tiếp PC Và Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 06/03/2009, Khoa Cơ
Khí Động Lực (Xưởng Đồng Sơn)
Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng & KS. Nguyễn Trọng Thức
2. Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 09/2011

Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
Ngành học: Khai Thác Và Bảo Trì Ô Tô – Máy Kéo
Tên luận văn: Nghiên Cứu Thiết Kế Chế Tạo Máy Phát Đa Điện Áp
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 09/2013, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng
3. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Tiếng Anh, tương đương B1
Châu Âu

i


4. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật được chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi
cấp: Kỹ Sư Cơ Khí Động Lực; Số hiệu bằng: A.246031, Số vào sổ: 16.405, cấp
ngày 20/05/2009 bởi Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

04/2011 đến 12/2012 Công Ty TNHH Ô Tô Lee

Công việc đảm nhiệm
Cố vấn dịch vụ
Trưởng Phòng Phụ tùng

IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ: (chưa có)

Ngày

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN
(Ký tên, đóng dấu)

tháng

năm 2013

Người khai ký tên

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013
(Ký và ghi rõ họ tên)

iii


LỜI CẢM TẠ
Để thực hiện hoàn thành đề tài này, người thực hiện đề tài, Hồ Trường Thạnh xin
gửi lời cảm ơn chân thành đến:

 PGS.TS Đỗ Văn Dũng – Hướng dẫn khoa học đề tài.
 Ban giám hiệu, phòng Sau Đại học và Khoa Cơ khí động lực Trường
Đại Học Sư Phạm kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận
lợi trong suốt thời gian học tập tại trường.
 ThS. Nguyễn Trọng Thức – Giảng viên khoa Cơ Khí Động Lực Trường
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM – Tư vấn hỗ trợ phần điện tử.
 Quý thầy cô tham gia giảng dạy cao học.
 ThS. Vũ Đình Huấn – Giảng viên khoa Cơ Khí Động Lực Trường Đại
Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM – Hỗ trợ thực nghiệm mô hình.
 Tập thể lớp CKO – Khóa 2009 và tất cả bạn bè – Tư vấn đóng góp ý
kiến về chuyên môn, động viên tinh thần.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013
Học viên: Hồ Trường Thạnh

iv


TÓM TẮT
Khi hệ thống điện trên xe ngày càng trở nên phức tạp hơn, một máy phát điện
với bộ tiết chế thông thường là không đủ cung cấp năng lượng cho nhu cầu sử dụng
tải điện trên xe. Vì lý do này, các nhà sản xuất ô tô đã tích hợp một bộ điều khiển
máy phát thông minh vào hệ thống cung cấp điện. Với hệ thống thông minh này
điện áp máy phát được điều khiển bởi hộp điều khiển động cơ và có giá trị thay đổi
khác nhau tương ứng với tình trạng accu và hoạt động của tải điện trên xe.
Theo xu hướng phát triển đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phát đa điện
áp” cũng nhằm vào giải quyết vấn đề nguồn năng lượng trên xe. Đề tài khái quát
một hệ thống cung cấp điện mới với máy phát điện được điều khiển bởi một bộ tiết
chế thông minh bên ngoài. Bộ tiết chế sẽ đo dòng điện, điện áp để chuẩn đoán tình
trạng dung lượng và chất lượng accu. Dựa vào thông số này nó sẽ tính toán điện áp

nạp accu theo những giá trị thay đổi khác nhau để tối ưu hiệu quả nạp, tránh được
hiện tượng cạn dung dịch axit do bay hơi khi accu no so với phương pháp nạp
truyền thống hiện nay với điện áp không đổi.
Đề tài nghiên cứu cũng đưa ra phương pháp chuẩn đoán đánh giá tình trạng
accu. Theo dỗi accu trong lúc nạp và phóng điện, cũng như có bộ phận hiển thị và
cảnh báo giúp tài xe chủ động hơn trong việc sử dụng năng lượng điện accu khi
dừng xe tắt động cơ nhằm đảm bảo đủ năng lượng điện cho lần khởi động tiếp theo.
Kết quả thử nghiệm cho thấy máy phát đa điện áp hoạt động tốt, điện áp thay
đổi đúng như nguyên lý thiết kế ứng với trạng thái dung lượng accu khác nhau và
điện áp vẫn ổn định như bộ tiết chế truyền thống khi tốc độ thay đổi.

v


ABSTRACT
While automotive electrical system become more and more complicated day
after day, a generator with a traditional regulator can not supply enough energy to
all the vehicle loads. Thus, Automotive manufacturers have been combined an
intelligent generator controller on the charging system. With this system, Output
voltage from the generator is controlled by the ECM with the value that variable
follow the battery condition and vehicle electrical loads.
The trend of this topic “Research and create a variable voltage generator” is
focus on handling the problem of vehicle energy supplying. This topic make a
general example of new charging system with a generator controlled by an outside
intelligent regulator. This regulator will measure the current, voltage to inspect the
durability of the battery. Using this potential, it will calculate the charging voltage
for the battery with different optimized values that give the good charge efficiency
and avoid the spraying of battery liquid make it exhausted when the battery is fully
charged.
This topic determine a method of inspecting the battery status. Follow the

battery when it’s charging and discharging, this system has an indicator to show the
status and warm the driver about using the battery energy. That helps the battery has
enough energy for the next start.
The result of tests show that variable voltage generator operate well, the
voltage change follow the designed fundamental exactly and suitable with different
battery capacity status and the output voltage stills stable as the traditional regulator
when engine speed changes.

vi


MỤC LỤC
NỘI DUNG .............................................................................................. TRANG
TRANG TỰA
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
LÝ LỊCH KHOA HỌC ........................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... iii
LỜI CẢM TẠ ..................................................................................................... iv
TÓM TẮT ........................................................................................................... v
MỤC LỤC ........................................................................................................... vii
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... x
DANH SÁCH CÁC HÌNH ................................................................................. xi
Chương 1: TỔNG QUAN ................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ...................................................................................................... 1
1.2 Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 2
1.3 Mục đích của đề tài ........................................................................................ 5
1.4 Đối tượng và giới hạn của đề tài ..................................................................... 5
1.5 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 6
1.6 Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 6

Chương 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT ........................................................................ 7
2.1 Khái quát hệ thống cung cấp điện trên ô tô ..................................................... 7
2.1.1 Nhiệm vụ ............................................................................................. 7
2.1.2 Yêu cầu ............................................................................................... 7
2.1.3 Những thông số cơ bản của hệ thống cung cấp điện ............................. 8
2.1.4 Sơ đồ tồng quát, sơ đồ cung cấp điện và phân bố tải ............................ 9
2.1.5 Chế độ làm việc giữa Accu – máy phát và sự phân bố tải .................... 11

vii


2.2 Accu .............................................................................................................. 13
2.2.1 Nhiệm vụ và phân loại accu trên ô tô .................................................. 13
2.2.2 Cấu tạo và quá trình điện hóa của accu axit – chì ................................ 14
2.2.3 Các thông số và đặc tính của accu axit – chì ........................................ 18
2.2.4 Các phương pháp nạp điện cho accu ................................................... 26
2.2.5 Bố trí và chọn accu ............................................................................. 29
2.3 Máy phát điện ................................................................................................ 29
2.3.1 Phân loại ............................................................................................. 29
2.3.2 Đặc điểm cấu tạo ................................................................................. 29
2.3.3 Hoạt động của bộ chinh lưu ................................................................. 38
2.3.4 Đặc tính của máy phát điện ................................................................. 44
2.4 Bộ điều chỉnh điện áp (bộ tiết chế) .................................................................. 47
2.4.1 Cơ sở lý thuyết điều chỉnh điện áp trên ôtô và phương pháp điều chỉnh
............................................................................................................. 47
2.4.2 Lý thuyết điều chỉnh gián đoạn ........................................................... 51
2.4.3 Các bộ tiết chế tiêu biểu ...................................................................... 56
Chương 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP ........................ 74
3.1 Nghiên cứu đề xuất nguyên lí, kết cấu của máy phát đa điện áp ..................... 74
3.1.1 Nguyên lý cấu tạo máy phát đa điện áp ............................................... 74

3.1.2 Sơ đồ cấu trúc bộ tiết chế cho máy phát đa điện áp ............................. 78
3.2 Tính toán các thông số ................................................................................... 81
3.2.1 Tính toán xác định dòng điện I ............................................................ 81
3.2.2 Tính toán xác định hiệu điện thế U ...................................................... 82
3.2.3 Tính toán trạng thái sạc accu SoC ........................................................ 83
3.2.4 Tính toán tuổi thọ của accu SoH .......................................................... 84
3.3 Thiết kế chế tạo bộ tiết chế cho máy phát đa điện áp ....................................... 85
3.3.1 Chọn vi điều khiển ............................................................................... 85
3.3.2 Thiết kế mạch cấp nguồn ..................................................................... 88
3.3.3 Mạch khuếch đại điện áp điện trở shunt ............................................... 89

viii


3.3.4 Mạch nhận tín hiệu chân P máy phát .................................................... 89
3.3.5 Mạch điều khiển trung tâm .................................................................. 90
3.3.6 Mạch giao tiếp máy tính ...................................................................... 91
3.3.7 Bộ tiết chế ........................................................................................... 91
3.4 Thuật toán điều khiển máy phát đa điện áp...................................................... 92
3.4.1 Nguyên lý thay đổi điện áp, hoạt động mạch tiết chế ........................... 92
3.4.2 Lưu đồ thuật toán ................................................................................ 94
3.4.3 Nguyên lý ổn định điện áp mạch tiết chế ............................................. 96
3.5 Sơ đồ mạch điện cho hệ thống sạc accu .......................................................... 97
Chương 4: THỬ NGHIỆM MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP ................................... 99
4.1 Phương pháp thử nghiệm ............................................................................... 99
4.2 Thực nghiệm mô hình và đánh giá kết quả ...................................................103
4.2.1 Kiểm tra hoạt động ổn áp của bộ tiết chế máy phát ............................103
4.2.2 Kiểm tra phương pháp tính SoC, SoH ................................................104
4.2.3 Kiểm tra chế độ hoạt động thay đổi điện áp của máy phát ..................106
Chương 5: KẾT LUẬN ....................................................................................107

5.1 Kết quả đạt được của đề tài ..........................................................................107
5.2 Hạn chế của đề tài ........................................................................................107
5.3 Hướng phát triển của đề tài ..........................................................................108
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................109

ix


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADAC: Allgemeiner Deutscher Automobil-Club
ADC:

Analog-to-Digital Converter

CAN:

Controller Area Network

CISC:

Complex Instruction Set Computer

DC:

Direct Current

ECU:

Electronic Control Unit

IBS:

Intelligent Battery Sensor

IG:

Ignition Switch

LCD:

Liquid Crystal Display

LIN:

Local Interconnect Network

PCM:

Powertrain Control Module

PWM:

Pulse-Width Modulation

SAE:

Society of Automotive Engineers

SoC:

State - of - Charge

SoF:

State - of - Function

SoH:

State - of - Health

OCV:

Open - Circuit Voltage

x


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH ......................................................................................................... TRANG
Hình 1.1: Biểu đồ thống kê sự cố xe do hệ thống điện của ADAC 2002 ............... 3
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sạc mới ........................................................ 4
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống cung cấp điện tổng quát ............................................... 9
Hình 2.2: Sơ đồ phụ tải điện trên ôtô ................................................................... 10
Hình 2.3: Sơ đồ tính toán hệ thống cung cấp điện ................................................ 11
Hình 2.4: Cấu tạo bình accu axit .......................................................................... 14
Hình 2.5a: Cấu tạo khối bản cực .......................................................................... 15
Hình 2.5b: Cấu tạo tấm bản cực ........................................................................... 15
Hình 2.6: Cấu tạo chi tiết bản cực ........................................................................ 16
Hình 2.7: Hoạt động phóng nạp của accu ............................................................. 18
Hình2.8 : Đặc tuyến phóng - nạp của accu axit .................................................... 21

Hình 2.9: Sự phụ thuộc của dung lượng accu vào dòng phóng ............................. 23
Hình 2.10: Đặc tuyến phóng của accu axit ở những nhiệt độ khác nhau ............... 24
Hình 2.11: Đặc tuyến Volt – Ampere của accu .................................................... 24
Hình 2.12: Chế độ phóng nạp của accu trên xe .................................................... 25
Hình 2.13: Nạp bằng hiệu điện thế không đổi ...................................................... 27
Hình 2.14: Sơ đồ nạp accu với dòng không đổi .................................................... 27
Hình 2.15: Nạp 2 nấc ........................................................................................... 28
Hình 2.16: Cấu tạo máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ .................. 30
Hình 2.17: Các kiểu đấu dây ................................................................................ 30
Hình 2.18: Stator của máy phát điện xoay chiều .................................................. 31

xi


Hình 2.19: Rotor máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp
điểm .................................................................................................... 31
Hình 2.20: Hình dạng bên ngoài máy phát xoay chiều ......................................... 32
Hình 2.21: Máy phát loại có bơm chân không ...................................................... 33
Hình 2.22: Sơ đồ máy phát xoay chiều không chổi than và sự thay đổi từ thông .. 34
Hình 2.23: Kết cấu máy phát kích thích một phía ................................................ 36
Hình 2.24: Kết cấu máy phát kích thích hai phía .................................................. 36
Hình 2.25: Cấu tạo máy phát xoay chiều không chổi than .................................... 37
Hình 2.26: Hình dạng của bên ngoài của bộ chỉnh lưu ......................................... 38
Hình 2.27a: Bộ chỉnh lưu 6 diode ........................................................................ 39
Hình 2.27b: Bộ chỉnh lưu 8 diode ........................................................................ 39
Hình 2.27c: Bộ chỉnh lưu 14 diode ..................................................................... 40
Hình 2.28: Sơ đồ chỉnh lưu máy phát 3 pha và điện áp sau khi đã chỉnh lưu ........ 41
Hình 2.29a: Đặc tuyến không tải ứng với số vòng quay khác nhau ...................... 45
Hình 2.29b: Đặc tuyến ngoài ứng với số vòng quay khác nhau ............................ 45
Hình 2.30: Đặc tuyến tải theo số vòng quay ......................................................... 46

Hình 2.31: Đặc tuyến từ và hiệu điện thế máy phát phụ thuộc vào dòng kích ....... 48
Hình 2.32: Đặc tính hiệu chỉnh điện thế của máy phát ......................................... 50
Hình 2.33: Hình dạng bên ngoài và Sơ đồ nguyên lý tiết chế loại rung ................ 56
Hình 2.34: Hoạt động của tiếp điểm trong tiết chế ............................................... 58
Hình 2.35: Sơ đồ tiết chế với cuộn gia tốc ........................................................... 59
Hình 2.36: Sơ đồ tiết chế với cuộn cân bằng và điện trở cân bằng ........................ 61
Hình 2.37: Sơ đồ và đặc tuyến làm việc của tiết chế 2 nấc ................................... 64
Hình 2.38: Hình dạng bên ngoài của tiết chế loại bán dẫn .................................... 65
Hình 2.39: Sơ đồ tiết chế bán dẫn loại dùng transistor PNP ................................. 66
Hình 2.40: Sơ đồ tiết chế dùng transistor NPN ..................................................... 69
Hình 2.41a: Sơ đồ tiết chế vi mạch xe Nhật kiểu A .............................................. 70
Hình 2.41b: Sơ đồ tiết chế vi mạch kiểu M .......................................................... 71
Hình 2.42: Sơ đồ tiết chế PP350 .......................................................................... 72

xii


Hình 2.43: Sơ đồ tiết chế vi mạch xe KAMAZ .................................................... 72
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống cung cấp điện xe BMW ............................................... 75
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điện ............................................................................. 75
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý máy phát .................................................................... 76
Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc mạch tiết chế ................................................................. 79
Hình 3.5: Sơ đồ chân tổng quát bộ tiết chế ........................................................... 80
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý đo dòng điện I ............................................................ 81
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý đo hiệu điện thế U ...................................................... 82
Hình 3.8: Sơ đồ khối ATmega32 ......................................................................... 87
Hình 3.9: Sơ đồ chân Atmega32 ........................................................................... 88
Hình 3.10: Sơ đồ mạch cấp nguồn ....................................................................... 89
Hình 3.11: Mạch khuếch đại điện áp điện trở shunt ............................................. 89
Hình 3.12: Mạch nhận tín hiệu chân P máy phát ................................................... 90

Hình 3.13: Mạch điều khiển trung tâm ................................................................. 90
Hình 3.14: Sơ đồ mạch giao tiếp máy tính ........................................................... 91
Hình 3.15: Sơ đồ mạch in bộ tiết chế .................................................................... 92
Hình 3.16: Bộ tiết chế máy phát đa điện áp sau khi chế tạo .................................. 92
Hình 3.17: Hai tín hiệu xung khác nhau với 80% PWM và 50% PWM ................ 96
Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý ổn định điện áp bộ tiết chế ....................................... 96
Hình 3.19: Sơ đồ mạch điện cho hệ thống sạc ...................................................... 97
Hình 4.1: Máy phát điện thử nghiệm...................................................................100
Hình 4.2: Sơ đồ thử nghiệm máy phát đa điện áp ...............................................100
Hình 4.3: Hoạt động bộ hiển thị LCD ................................................................101
Hình 4.4: Mô hình thử nghiệm máy phát điện ....................................................103
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý kiểm tra SoC, SoH ...................................................104

xiii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG ........................................................................................................ TRANG
Bảng 3.1: Mối quan hệ giữa điện áp OCV và dung lượng accu ............................ 83
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật máy phát điện ......................................................... 99
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật accu ......................................................................102
Bảng 4.3: Thông số thử nghiệm chế độ ổn áp máy phát .....................................103
Bảng 4.4: Thông số kiểm tra đánh giá SoC ........................................................105
Bảng 4.5: Thông số thử nghiệm chế độ hoạt động máy phát ..............................106

xiv


Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Với xu hướng phát triển rất mạnh hiện nay và trong tương lai của ngành công
nghiệp ôtô. Chiếc xe ngày nay ngày một tiện nghi và hiện đại hơn. Đặc biệt, hệ
thống điện và điện tử trên ô tô đã có sự phát triển vượt bậc, nhằm để đáp ứng các
yêu cầu như: tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm lượng khí thải
gây ô nhiễm môi trường, tăng tính năng an toàn, tính tiên nghi thoải mái của ô tô.
Chính vì vậy hệ thống điện trên ô tô ngày nay đóng vai trò rất quan trọng vì các

trang thiết bị kèm theo ngày càng nhiều hơn và đều vận hành bằng điện.
Những phát triển gần đây trên ô tô chủ yếu liên quan đến phần điện. Trên một
chiếc ô tô hiện đại, phần điện chiếm một phần đáng kể trong giá trị tổng thành của
nó. Hệ thống điên và điện tử can thiệp vào gần như tất cả các hệ thống trên một
chiếc xe, từ hệ thống đơn giản có từ lâu đời như khởi động, đánh lửa đến những hệ
thống mới được nghiên cứu ứng dụng như hệ thống bảo đảm an toàn cho người sử
dụng túi khí, phanh điện, hỗ trợ lái xe, treo điện, thiết bị chỉ dẫn vệ tinh và các hệ
thống tiện nghi như điều hòa, âm thanh, hệ thống giải trí đa phương tiện ... Sẽ dần
trở thành những trang bị tiêu chuẩn cho bất kỳ một chiếc ôtô nào. Đặc biệt gần đây
là sự phát triển của xe hydrid, hệ thống start-stop hay hệ thống kiểm soát máy phát
thông minh yêu cầu biết được tình trạng accu.
Sự gia tăng số lượng tải điện trên xe ngày nay là một thách thức đối với hệ
thống cung cấp điện đặc biệt là accu. Một hệ thống sạc thông minh hay máy phát đa
điện áp là yêu cầu cần thiết cho chiếc xe, tùy thuộc vào tình trạng của accu và tải
điện đang hoạt động trên xe mà điện áp phát ra từ máy phát có thể thay đổi cao hay
thấp khác nhau trong một giới hạn nhất định để đảm bảo cho accu được nạp điện
một cách tốt hơn nhằm tăng tuổi thọ, hạn chế hiện tưởng sôi nước accu khi nạp no
làm cạn dung dịch điện phân mà ở hệ thống sạc truyền thống trước đó còn tồn tại.

1

Ngoài ra hệ thống sạc thông minh cũng phải đảm bảo được chức năng cơ bản
của nó là đảm bảo cung cấp một nguồn điện đầy đủ ổn định cho tải điện trên xe
trong suốt thời gian hoạt động và cả khi động cơ đã dừng. Khả năng tự chuẩn đoán
hư hỏng, kiểm soát tình trạng của accu, cung cấp thông tin cần thiết một cách nhanh
chóng và chính xác cho các hệ thống khác như hệ thống start-stop trên xe hiện đại,
hạn chế sự cố xe do accu hết điện, cũng như chức năng cảnh báo, hoạt động ở chế
độ dự phòng khi có bất kỳ lỗi nào xảy ra ở hệ thống cung cấp điện.
1.2 Lý do chọn đề tài
Khoa học kỹ thuật trên thế giới nói chung ngày nay phát triển rất nhanh. Nhiều
đề tài nghiên cứu giữa các nhà khoa học, các kỹ sư ô tô và các công ty cung cấp linh
kiện phụ tùng kết hợp với các nhà sản ô tô để tạo ra một hệ thống sạc thông minh
nhằm tối ưu hiệu quả sạc accu tăng tuổi thọ, dự báo được tình trạng accu hạn chế hư
hỏng do accu phóng hết điện hay hệ thống sạc gặp sự cố. Cũng như tối ưu hóa việc
sử dụng năng lượng điện trên xe giữa năng lượng cung cấp từ máy phát và accu với
năng lượng tiệu thụ từ các trang thiết bị tải điện trên xe.
Theo Dave Hobbs đăng trên tập chí motormagazine online tháng 4 năm 2010 về
một hệ thống sạc thống minh “Smart charging system” của GM bao gồm một accu,
một máy phát điện xoay chiều 3 pha được động cơ dẫn động và một vài module
giám sát điều kiển điều chỉnh điện áp. Bộ điều chỉnh điện áp sử dụng thông tin từ
cảm biến accu để xác định trạng thái accu tính toán điện áp hệ thống cần thiết cung
cấp cho tối ưu hiệu quả sạc accu có thể 13V hay thấp hơn khi accu đầy, hay 14,8V
đến 15,5V khi accu phóng điện nhiều cần nạp nhanh. Phụ thuộc vào model xe và
năm sản xuất mà điện đầu ra máy phát thay đổi khác nhau theo những chế độ sạc.
Và khi có bất kỳ sự cố lỗi nào xảy ra như hở mạch hay mất thông tin từ cảm biến
accu thì mật định điện áp đầu ra máy phát là 13,8V đồng thời lỗi được set trong
module điều khiển.
Theo Andreas Heim của BMW đăng trên tạp chí SAE tháng 10 năm 2006 về hệ
thống quản lý năng lượng trên xe với cảm biến accu thông minh “Intelligent battery

2


sensor” có trên những dòng xe BMW mới series 5 và 7. Trong một xe hiện đại 90%
sự đổi mới là xoay quanh hệ thống điện, năm 2002 với hơn 70 bộ điều khiển khác
nhau thực hiện trên 2000 chức năng. Ngoài ra để giảm ô nhiễm và tiêu hao nhiên
liệu tốc độ cầm chừng động cơ đốt trong đã giảm xuống, kết quả giảm công suất
đầu ra máy phát điện ở tốc độ cầm chừng làm cho accu phóng điện dẫn đến sự cố
accu hết điện. Hình 1.1 (Nguồn: Theo Andreas Heim, The intelligent battery sensor,
ADAC 2002) thể hiện thống kê của câu lạc bộ ô tô Đức ADAC năm 2002 về sự cố
xe do hệ thống điện chủ yếu là do accu. Vì vậy quản lý năng lượng và trạng thái
accu là quan trọng tại mọi thời điểm.

Hình 1.1: Biểu đồ thống kê sự cố xe do hệ thống điện của ADAC 2002
Accu như là một nguồn năng lượng dự trữ trên xe và nó được giám sát bởi hệ thống
quản lý năng lượng, hệ thống đảm bảo cân bằng giữa năng lượng được tạo ra ở máy
phát điện, accu và tải điện yêu cầu, đảm bảo xe khởi động được trong mọi thời
điểm. Thông qua IBS tình trạng accu được xác định một cách chính xác và liên tục
sau đó ECU dựa vào thông tin này tính toán điện áp tối ưu điều khiển máy phát điện
thông qua đòng kích từ, tăng tốc độ cầm chừng hay ngắt bớt các phụ tải điện đảm
bảo accu được nạp no và không phóng hết điện.
Gần đây hơn, tháng 4 năm 2011 Ford cũng nghiên cứu phát triển điều khiển
máy phát điện trên xe với bộ sạc thông minh “Smart charger”. Theo Pete khi hệ
thống điện trở nên phức tạp, một bộ tiết chế đơn giản là không đáp ứng đủ nhu cầu
điện. Vì lý do đó một vài nhà sản xuất ô tô như Ford, Mazda, Peugeot phải tích hợp

3


một bồ điều khiển máy phát thông minh vào hệ thống sạc. Trong khi ở máy phát

truyền thống, điện áp phát ra cố định và được tiết chế điều khiển. Nhiệm vụ này
trong hệ thống sạc mới được giao cho module điều khiển động cơ.

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sạc mới
Với hệ thống sạc thông minh này dòng điện sạc accu được tối ưu tính toán từ
module điều khiển động cơ và thay đổi điện áp phát ra theo tình trạng điện áp của
accu. Đúng với tên gọi thông minh hệ thống nhận biết được lúc động cơ khởi động
và ngắt dòng kích từ không cho máy phát hoạt động để giảm momen xoắn kéo động
cơ. Ở tốc độ cầm chừng thấp mà tải điện lớn PCM sẽ tăng tốc độ cầm chừng lên
một ít để tăng công suất đầu ra ở máy phát điện hoặc ngắt bớt các tải điện như hệ
thống sưởi, điều hòa đảm bảo cho bình được nạp mà không phải phóng điện. Cũng
như ở các model xe khác hệ thống cũng có khả năng tự chuẩn đoán và hoạt động dư
phòng. Khi phát hiện có lỗi xảy ra thì điện áp sạc 13,5V được cố định đảm bảo dòng
điện cung cấp cho các hệ thống trên xe.
Để tối ưu quá trình sạc, giám sát tình trạng accu, quản lý hệ thống cung cấp
năng lượng thông qua ECU thì các nhà sản xuất ô tô nỗi tiếng ở châu âu như
Mercedes, Audi, Posche và các hãng mới phát triển gần đây như Hyundai cũng đã
nghiên cứu, áp dụng hệ thống sạc thông minh hay máy phát đa điện áp trên các mẫu
xe cao cấp của họ.

4


Tình hình nghiên cứu trong nước về hệ thống cung cấp điện trên ô tô về máy
phát điện, mạch tiết chế thì có nhiều đề tài thực hiện và thử nghiệm thành công.
Nhưng một hệ thống điện thông minh, một máy phát đa điện áp thì vẫn còn mới
chưa có nhiều công trình được thực hiện chỉ là đang trong giai đoạn tìm hiểu và
phát triển ở các trường đại học.
Vì vậy, với tinh thần nghiên cứu học hỏi cùng với được sự hướng dẫn của
Thầy PGS-TS Đỗ Văn Dũng học viên đã quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu

thiết kế chế tạo máy phát đa điện áp” nhằm giám sát cảnh báo tình trạng accu
phóng điện, cải tiến hiệu quả sạc hiện tại một cách tốt hơn hạn chế hiện tượng nước
khi accu no kéo dài thêm tuổi thọ. Đề tài nghiên cứu cũng khái quát ra một hệ thống
cung cấp điện mới trên ô tô làm cơ sở nền tản để phát triển vấn đề cân bằng năng
lượng đáp ứng nhu cầu xã hội và theo kịp thế giới, góp phần phục vụ cho nhiều dự
án nghiên cứu tiếp theo được hoàn thiện hơn.
1.3 Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu khái quát hệ thống cung cấp điện trên ô tô.
- Cải tiến hệ thống cung cấp điện trên xe giám sát tình trạng accu dựa vào
thông số dòng điện và điện áp sạc tính toán điện áp sạc tối ưu nhằm cải thiện
hiệu quả sạc accu hiện tại, khắc phục hiện tượng cạn dung dịch điện phân,
đảm bảo accu được nạp no không phóng hết điện.
- Dùng vi điều khiển chế tạo bộ tiết chế thông minh điều khiển dòng kích từ
cho máy phát điện hiện tại.
- Thử nghiệm mô hình máy phát đa điện áp và đánh giá kết quả.
1.4 Đối tượng và giới hạn của đề tài
- Đối tượng nghiên cứu: Máy phát điện trên ô tô và bộ tiết chế
- Giới hạn đề tài: Đề tài chỉ tập trung vào hệ thống cung cấp điện trên những
dòng xe ô tô du lịch đang lưu hành tại thị trường việt nam, chủ yếu là dùng vi
điều khiển để thiết kế chế tạo tiết chế thông minh của máy phát điện có sẵn
trên ô tô với điện áp phát ra thay đổi trong một dãy giới hạn nhất định tùy
theo chế độ làm việc được tính toán lập trình trước.

5


- Đề tài không đi vào nghiên cứu hệ thống cung cấp điện trên xe điện, xe
hydrid và những hệ thống khác trên xe.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tham khảo tài liệu.

- Phương pháp tham khảo ý kiến.
- Phương pháp tính toán.
- Phương pháp lập trình vi điều khiển.
- Phương pháp thực nghiệm.
1.6 Nội dung nghiên cứu
- Hệ thống cung cấp điện trên ô tô.
- Phân tích chế độ làm việc giữa máy phát, accu và sự phân bố tải.
- Tìm hiểu về accu và chế độ nạp.
- Nghiên cứu đề xuất nguyên lý, kết cấu máy phát đa điện áp.
- Thiết kế chế tạo mạch tiết chế cho máy phát.
- Thực nghiệm máy phát đa điện áp và đánh giá kết quả.

6


Chương 2

CƠ SỞ LÍ THUYẾT
2.1 Khái quát hệ thống cung cấp điện trên ô tô
Nguồn điện trên ô tô là nguồn điện một chiều được cung cấp bởi accu, nếu động cơ
chưa làm việc, hoặc bởi máy phát điện nếu động cơ đã làm việc. Để tiết kiệm dây
dẫn, thuận tiện khi lắp đặt sửa chữa… trên đa số các xe, người ta sử dụng thân sườn
xe (car body) làm dây dẫn chung (single wire system). Vì vậy, hệ thống điện trên ô
tô được gọi là hệ thống điện một dây, đầu âm của nguồn điện được nối trực tiếp ra
thân xe.
Để cung cấp năng lượng cho các phụ tải trên ô tô, cần phải có bộ phận tạo ra năng
lượng điện. Nguồn năng lượng này được tạo ra từ máy phát điện trên ô tô. Khi động
cơ hoạt động, máy phát cung cấp điện cho các phụ tải và nạp điện cho accu. Để bảo
đảm toàn bộ hệ thống hoạt động một cách hiệu quả, an toàn, năng lượng đầu ra của
máy phát và năng lượng yêu cầu cho các tải điện phải thích hợp với nhau.

Yêu cầu đặt ra cho máy phát phụ thuộc vào kiểu và cấu trúc máy phát lắp trên xe,
được xác định bởi việc cung cấp năng lượng điện cho các tải điện và accu. Có hai
loại máy phát: máy phát một chiều (Generator) và máy phát điện xoay chiều
(Alternator). Các máy phát một chiều được sử dụng trên xe thế hệ cũ. Hiện nay đa
số các máy phát trên ô tô là máy phát xoay chiều.
2.1.1 Nhiệm vụ
Máy phát điện xoay chiều là một ngồn năng lượng chính trên ô tô. Nó có
nhiệm vụ cung cấp điện cho các phụ tải và nạp điện cho accu trên ô tô. Nguồn
điện phải bảo đảm một hiệu điện áp ổn định ở mọi chế độ phụ tải và thích ứng
với mọi điều kiện môi trường làm việc.
2.1.2 Yêu cầu

7


Máy phát phải luôn tạo ra một hiệu điện áp ổn định (13,8V – 14,2V đối với hệ
thống điện 14V) trong mọi chế độ làm việc của phụ tải. Máy phát phải có cấu
trúc và kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhỏ, giá thành thấp và tuổi thọ cao.
Máy phát cũng phải có độ bền cao trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm lớn, có
thể làm việc ở những vùng có nhiều bụi bẩn, dầu nhớt và độ rung động lớn.
Việc duy tu và bảo dưỡng càng ít càng tốt.
2.1.3 Những thông số cơ bản của hệ thống cung cấp điện
Hiệu điện áp định mức: Phải bảo đảm U đm  14V đối với những xe sử dụng hệ
thống điện 12V, U đm  28V đối với những xe sử dụng hệ
thống điện 24V.
Công suất máy phát:

Phải đảm bảo cung cấp điện cho tất cả các tải điện trên
xe hoạt động. Thông thường, công suất của các máy
phát trên ô tô hiện nay vào khoảng Pmf  700  1500W .

Dòng điện cực đại:

Là dòng điện lớn nhất mà máy phát có thể cung cấp
I max  70  140 A

Tốc độ cực tiểu và tốc độ cực đại của máy phát: nmax , nmin phụ thuộc vào tốc độ
của động cơ đốt trong.
nmin  ni xi

Trong đó:

i – tỉ số truyền
ni - tốc độ cầm chừng của động cơ

i = 1,5 – 3
Hiện nay trên xe đời mới sử dụng máy phát cao tốc nên tỉ số truyền i cao hơn.
0
Nhiệt độ cực đại của máy phát t max
: Là nhiệt độ tối đa mà máy phát có thể hoạt

động.
Hiệu điện áp hiệu chỉnh: Là điện áp làm việc của bộ tiết chế U hc  13,8  14,2V .

8