Cơ bản về hệ thống điện tử ô tô

Phân loại Điện tử Ôtô

Hệ thống điện tử truyền động, an toàn, điện tử khung gầm và hệ thống thông tin giải trí là bốn loại chính của hệ thống điện tử ô tô. Tất cả các bộ phận và hệ thống điện tử quan trọng cần thiết cho hoạt động, sự an toàn, sự thoải mái và giải trí của xe đều thuộc các loại này.

Hệ thống điện tử truyền động

Chức năng chính của hệ thống điện tử truyền động là giám sát động cơ, hộp số và các bộ phận tạo ra năng lượng khác nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho chuyển động của xe. Các hệ thống như Bộ điều khiển động cơ (ECU), hệ thống đánh lửa, hệ thống xử lý sau khí thải, hệ thống làm mát động cơ và hệ thống phun nhiên liệu đều nằm trong danh mục này. Đặc biệt, ECU đóng vai trò là thành phần trung tâm của hệ thống truyền động, giám sát và điều phối các hệ thống con khác nhau để đảm bảo tiết kiệm nhiên liệu, hiệu suất cao nhất và điều tiết khí thải.

Trong xe hybrid và xe điện, phạm vi của hệ thống điện tử truyền động mở rộng để bao gồm các bộ phận như Hệ thống quản lý pin – Battery Management System (BMS) và Biến tần kéo – Traction Inverter hoặc Máy phát điện khởi động – Starter Generator. Những yếu tố này chịu trách nhiệm quản lý việc sử dụng pin, vận hành các máy điện tử và giám sát các quá trình phục hồi năng lượng.

Điện tử khung gầm

Các hệ thống điện tử trong khung gầm đóng một vai trò quan trọng trong việc định hình động lực lái của xe. Các hệ thống như vậy bao gồm Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS), hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), cơ cấu lái trợ lực và Kiểm soát ổn định điện tử (ESC). Trong các điều kiện lái xe đa dạng, các hệ thống này cải thiện độ ổn định, khả năng cơ động và hiệu suất tổng thể của xe.

Thiết bị điện tử khung gầm bao gồm hệ thống giám sát áp suất lốp, hệ thống kiểm soát hệ thống treo và các cảm biến khác nhau giám sát hoạt động của khung gầm. Chúng đóng vai trò then chốt trong việc duy trì hành vi lý tưởng của phương tiện và đưa ra những phản hồi có giá trị cho người lái xe.

Hệ thống An toàn và Bảo mật

Hệ thống điện tử dành riêng cho an toàn và an ninh đảm bảo bảo vệ cả người ngồi trong xe và chính chiếc xe. Các hệ thống trong danh mục này bao gồm bộ căng trước dây an toàn, bộ điều khiển túi khí, hệ thống báo động, hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS) và hệ thống kiểm soát truy cập như Immobiliser và ra vào không cần chìa khóa từ xa.

Xe tiên tiến tích hợp các hệ thống an toàn tinh vi bao gồm kiểm soát hành trình thích ứng, cảnh báo chệch làn đường và hệ thống phát hiện va chạm. Bằng cách sử dụng một loạt cảm biến, camera và radar, các hệ thống tiên tiến này liên tục giám sát môi trường xung quanh xe và chủ động thực hiện các biện pháp để ngăn ngừa tai nạn.

Hệ thống thông tin giải trí

Hệ thống thông tin giải trí trên xe nhằm mục đích cung cấp cho cả người lái và hành khách các lựa chọn giải trí và nội dung thông tin. Kết hợp các chức năng âm thanh nổi truyền thống trên ô tô cùng với hệ thống giải trí cho hàng ghế sau, hệ thống định vị, nhận dạng giọng nói, kết nối điện thoại thông minh và truy cập internet, các hệ thống này cung cấp một loạt tính năng toàn diện.

Là giao diện chính giữa người lái và xe, hệ thống thông tin giải trí hiện đại cung cấp nhiều thông tin, bao gồm cập nhật trạng thái xe, hướng dẫn điều hướng cũng như quản lý hệ thống âm thanh và khí hậu. Với độ phức tạp ngày càng tăng và vô số tính năng, các hệ thống này hiện tích hợp liền mạch các chức năng như kết nối di động và Wi-Fi, cập nhật giao thông theo thời gian thực và thậm chí cả khả năng điều khiển từ xa cho các tính năng cụ thể của xe.

Việc nắm bắt được cách phân loại thiết bị điện tử ô tô sẽ đặt nền tảng cho việc hiểu được sự tương tác và hoạt động chung của các hệ thống khác nhau trong một chiếc xe. Yếu tố này có ý nghĩa to lớn trong các giai đoạn thiết kế và phát triển, đảm bảo tạo ra những phương tiện vừa hiệu quả vừa thú vị, đồng thời ưu tiên an toàn.

Kiến trúc điện của xe

Cốt lõi của tất cả các chức năng và hoạt động bên trong một chiếc xe nằm ở cấu trúc điện, điều khiển mọi thứ từ hệ thống chiếu sáng cơ bản đến hệ thống truyền động phức tạp. Được kết hợp trong kiến ​​trúc này là các thành phần thiết yếu như pin và bộ dây cũng như một loạt bộ điều khiển điện tử (ECU) và mô-đun.

Vai trò của pin/ắc quy

Trong cấu trúc điện của ô tô, ắc quy đóng một vai trò quan trọng. Khi động cơ không hoạt động, nó đóng vai trò là nguồn năng lượng điện chính trong xe, cung cấp năng lượng cần thiết để khởi động động cơ đốt trong. Khi kích hoạt động cơ, máy phát điện thường cung cấp năng lượng điện cần thiết, trong khi ắc quy có thể hấp thụ và giữ lại năng lượng dư thừa.

Ắc quy axit chì 12V thường thấy trên các xe cũ, trong khi đó có thêm một loại ắc quy nhỏ 48V trên xe điện hybrid nhẹ (MHEV). Những phương tiện này cố tình chọn điện áp ắc quy dưới ngưỡng nguy hiểm, loại bỏ nhu cầu thiết kế cách điện phức tạp và do đó giảm đáng kể chi phí. Xe điện và xe hybrid (HEV và EV) kết hợp bộ pin điện áp cao, thường ở mức 400V trở lên, bên cạnh hệ thống 12V thông thường. Cùng với việc khởi động xe, pin điện áp cao còn cung cấp năng lượng cho (các) động cơ điện. Xe điện hybrid (HEV) thường sử dụng tế bào NiMH cho pin điện áp cao, trong khi xe điện (EV) chọn sử dụng tế bào Lithium do mật độ năng lượng và năng lượng vượt trội. Việc giám sát các loại pin điện áp cao này thường xuyên được xử lý bởi Hệ thống quản lý pin (BMS), đảm bảo chúng hoạt động an toàn và hiệu quả.

Bộ dây điện – Wiring Harness

Hệ thống tuần hoàn trong kết cấu điện của xe được hình thành bởi bộ dây điện. Mạng lưới phức tạp này bao gồm các đầu nối, dây dẫn và thiết bị đầu cuối, tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền tải cả nguồn điện và tín hiệu trên xe. Liên kết cực dương và máy phát điện của pin với một loạt các tải như động cơ, đèn, máy sưởi và bộ điều khiển như ECU, là chức năng chính của bộ dây điện. Để tránh phải đi dây thêm, dòng điện hồi tiếp từ ắc quy sẽ truyền qua khung xe, kết nối với cực âm của ắc quy. Tuy nhiên, trong hệ thống điện, không phải thiết bị nào cũng được nối đất trực tiếp vào khung xe. Một số cảm biến và ECU được nối đất riêng lẻ, thường thông qua hệ thống dây điện được kết nối với một ECU riêng biệt.

Từ các mạng đơn giản được tìm thấy trong các phương tiện tiêu chuẩn cho đến các hệ thống cực kỳ phức tạp hiện diện trong các ô tô sang trọng hoặc tự động hóa rộng rãi, độ phức tạp của bộ dây có thể rất khác nhau. Thiết kế của bộ dây điện phải xem xét các thành phần như độ sụt điện áp, giá thành, khả năng mang dòng điện, trọng lượng và độ tin cậy. Mỗi chiếc xe đều được trang bị một hộp cầu chì có chứa cầu chì để bảo vệ bộ dây điện khỏi quá dòng do hư hỏng. Mục tiêu chính của cầu chì là bảo vệ hệ thống dây điện chứ không phải tải gắn vào nó.

ECU và mô-đun

Bộ điều khiển điện tử (ECU, khác với Bộ điều khiển động cơ có cùng tên viết tắt) đóng vai trò là “bộ não” được nhúng trong framework điện của xe. Trong xe, ECU là một hệ thống nhúng chịu trách nhiệm quản lý một hoặc nhiều hệ thống điện hoặc hệ thống con.

Thông qua các bus truyền thông, các ECU đang liên lạc với nhau. CAN (Controller Area Network – Mạng khu vực điều khiển) là loại bus được sử dụng rộng rãi nhất. Kiến trúc truyền thống thường chỉ định các ECU cụ thể làm bộ điều khiển chính, như Mô-đun điều khiển thân xe (Body Control Module – BCM) hoặc Bộ điều khiển động cơ, trong khi các bộ phận khác hoạt động như bộ phận phụ, chờ chỉ thị từ bộ điều khiển chính. Ví dụ về các đơn vị phụ này bao gồm Mô-đun vùng cửa (Door Zone Module), Mô-đun vùng chỗ ngồi (Seat Zone Module) và Mô-đun quản lý pin (Battery Management Slaves). Trong những chiếc ô tô hiện đại, số lượng ECU có thể vượt quá một trăm, tùy thuộc vào mức độ phức tạp của chiếc xe.

Việc hiểu cấu trúc điện của xe sẽ thiết lập một khuôn khổ cơ bản để nghiên cứu sâu hơn về chức năng và sự tương tác của các hệ thống điện tử ô tô. Với sự phát triển của công nghệ phương tiện, mức độ phức tạp và tầm quan trọng ngày càng tăng của kiến ​​trúc này đòi hỏi sự nắm bắt sâu sắc và toàn diện hơn về các yếu tố thiết yếu của nó cũng như cách chúng đan xen với nhau.

Tầm quan trọng của điện tử công suất trên xe

Một thành phần quan trọng của xe hiện đại là điện tử công suất. Trong hoạt động của các hệ thống điện tử khác nhau và hiệu suất tổng thể của xe, điện tử công suất đóng một vai trò quan trọng. Sử dụng công nghệ bán dẫn tinh vi như SIC ​​MOSFET hoặc IGBT, các thiết bị điện tử công suất quản lý và biến đổi năng lượng điện một cách thành thạo. Trong hiệu quả năng lượng, điều chỉnh điện áp và xử lý tải điện, chúng đóng một vai trò quan trọng.

Điều chỉnh điện áp

Trong xe cộ, việc điều chỉnh điện áp rất quan trọng vì nó quản lý điện áp ổn định cho các linh kiện điện tử khác nhau. Ở khía cạnh này, vai trò của thiết bị điện tử công suất là rất quan trọng. Trong các phương tiện truyền thống, máy phát điện, được giám sát bởi bộ điều chỉnh điện áp điện tử, duy trì điện áp cần thiết để sạc pin và cấp nguồn cho các thiết bị điện tử trên xe. Nguồn điện áp từ ắc quy của xe có thể có những dao động đáng kể, đặc biệt là khi máy phát điện khởi động khởi động động cơ đốt trong, tạo ra một dòng điện đáng kể có thể khiến điện áp giảm mạnh xuống mức thấp nhất là 3V. Bộ điều chỉnh điện áp bên trong ECU quản lý việc điều chỉnh từ điện áp pin đến 5V hoặc 3,3V. Thiết kế của chúng phải đảm bảo khả năng tồn tại qua các nhiễu loạn điện áp khác nhau của pin trong khi vẫn duy trì chức năng của thiết bị điện tử.

Trong các loại xe hybrid và xe điện, điện tử công suất có tầm quan trọng cao hơn. Các thành phần như bộ chuyển đổi DC/DC cung cấp hàng trăm ampe, trong khi bộ sạc tích hợp quản lý dòng điện giữa hệ thống điện áp cao (HV) và điện áp thấp (LV). Ngoài ra, chúng còn chuyển đổi nguồn điện xoay chiều từ lưới điện thành nguồn DC để sạc bộ pin.

Hiệu suất năng lượng

Hiệu suất của các phương tiện giao thông, đặc biệt là các mẫu xe hybrid và xe điện, được nâng cao đáng kể nhờ sự đóng góp đáng kể của điện tử công suất vào việc sử dụng năng lượng. Cho phép quản lý chính xác các chức năng của động cơ điện, chúng tối ưu hóa cả công suất mô-men xoắn và hiệu suất tổng thể.

Hơn nữa, chúng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phanh tái tạo, một quá trình biến đổi năng lượng thường tiêu tán dưới dạng nhiệt trong quá trình phanh thành năng lượng điện, sau đó lưu trữ vào pin của xe. Dưới sự hướng dẫn của điện tử công suất, hệ thống thu hồi năng lượng này có khả năng nâng cao hiệu suất tổng thể của xe và mở rộng phạm vi hoạt động của xe điện.

Phụ tải điện (Máy sưởi, Quạt, E-Machine)

Các thiết bị điện tử công suất điều khiển và vận hành các tải điện lớn hơn như máy sưởi, quạt và máy điện (động cơ đẩy điện). Thông qua việc kiểm soát tải chính xác, thiết bị điện tử công suất đảm bảo hiệu suất, hiệu quả sử dụng năng lượng và độ tin cậy tối ưu.

Ví dụ, để quản lý hiệu quả mức năng lượng cao, máy sưởi trong xe điện có thể sử dụng thiết bị điện tử có điện áp cao. Tương tự như vậy, các thiết bị điện tử công suất điều chỉnh quạt chịu trách nhiệm làm mát động cơ, pin hoặc các bộ phận khác. Cơ chế điều khiển này điều chỉnh tốc độ quạt theo yêu cầu làm mát, giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

Trong xe điện (EV), máy điện là thiết bị tiêu thụ quan trọng nhất, tự hào với mức công suất có thể lên tới 600kW. Điều này tương đương với mức tiêu thụ dòng điện lên tới 750A từ pin 800V. Thiết kế các thiết bị điện tử công suất có khả năng điều khiển nó với tổn thất điện năng tối thiểu là điều vô cùng quan trọng. Việc điều khiển máy điện liên quan đến việc sử dụng các mô-đun cầu 3 pha được xây dựng bằng cách sử dụng MOSFET SiC hoặc bóng bán dẫn IGBT. Các mô-đun này được gắn trên một cấu trúc gốm nổi tiếng với đặc tính nhiệt đặc biệt.

Với tốc độ điện khí hóa phương tiện ngày càng tăng, vai trò của điện tử công suất trong phương tiện cũng ngày càng tăng. Một khía cạnh quan trọng đối với các kỹ sư ô tô nằm ở việc hiểu rõ chức năng và cơ chế vận hành của chúng, yếu tố then chốt để phát triển các hệ thống xe nâng cao và đáng tin cậy. Vai trò của họ trong lĩnh vực thiết bị ô tô thậm chí còn trở nên quan trọng hơn trong tương lai, với sự phát triển của các chiến thuật điều khiển và thiết bị điện tử công suất hiện đại hơn.

Cảm biến và cơ cấu chấp hành (Bộ truyền động)

Trong các hệ thống ô tô, bộ truyền động và cảm biến đóng vai trò quan trọng, tạo thành chuỗi giữa các lĩnh vực điện tử và vật lý trong xe. Cho phép tương tác giữa hệ thống điều khiển của xe và môi trường vật lý, chúng giám sát các điều kiện giám sát và thực hiện các hành động kiểm soát.

Vai trò và chức năng cơ bản

Để đo các đặc tính vật lý và chuyển đổi chúng thành tín hiệu, được đọc bởi bộ điều khiển điện tử (ECU), các cảm biến được sử dụng. Trong hệ thống ô tô, cảm biến giám sát vô số thông số như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, vị trí và thành phần hóa học, cùng các yếu tố quan trọng khác. Cung cấp phản hồi tức thời cho ECU, dữ liệu này được xử lý và sử dụng để điều khiển các hệ thống khác nhau của xe.

Mặt khác, để thực hiện các hành động vật lý dựa trên tín hiệu đầu vào từ ECU, thiết bị được sử dụng là các bộ truyền động. Điều quan trọng là chúng biến tín hiệu điện tử trở lại thành hành động vật lý. Được sử dụng rộng rãi trên nhiều ứng dụng khác nhau bao gồm cơ cấu cửa, điều khiển động cơ, điều chỉnh ghế, điều khiển phanh, điều khiển gạt nước và chùm sáng, cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh các thông số vật lý dựa trên đầu vào cảm biến và thuật toán điều khiển trong các hệ thống xe khác nhau.

Ví dụ về cảm biến: Cảm biến tốc độ, Cảm biến O2

Trong các ứng dụng ô tô, cảm biến tốc độ và cảm biến oxy (O2) nổi bật là hai ví dụ phổ biến về cảm biến thường được sử dụng.

Thông thường, cảm biến tốc độ được sử dụng để đo tốc độ quay của các bộ phận khác nhau như bánh xe, trục khuỷu động cơ và trục đầu ra của hộp số. Các hệ thống như Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) và Kiểm soát ổn định điện tử (ESC) phụ thuộc rất nhiều vào cảm biến tốc độ bánh xe. Những cảm biến này cung cấp dữ liệu cần thiết để điều chỉnh tốc độ của từng bánh xe trong quá trình vào cua và phanh.

Trong quản lý động cơ, cảm biến oxy đóng vai trò quan trọng. Chúng được đặt trong hệ thống ống xả của xe và đo lượng oxy trong khí thải. Bằng cách sử dụng dữ liệu này, ECU điều chỉnh hỗn hợp nhiên liệu không khí để đốt cháy trong động cơ, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu lượng khí thải độc hại. Trong các phương tiện hiện đại, thường có nhiều cảm biến O2 để đưa ra phản hồi, được đặt ở cả trước và sau bộ chuyển đổi xúc tác. Thiết lập này phục vụ để tăng cường kiểm soát khí thải đáng kể.

Ví dụ về bộ truyền động

Có hai loại thiết bị truyền động trong Mô-đun điều khiển hộp số. Động cơ hoạt động như máy bơm, đảm bảo duy trì áp suất chất lỏng truyền động thích hợp cần thiết cho hoạt động. Kiểm soát hướng áp suất chất lỏng truyền trong hộp số, van điện từ đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển bánh răng về đúng vị trí.

Trên mô-đun, các bộ truyền động được quản lý bởi Bộ điều khiển truyền động (TCU). Tuy nhiên, TCU không đủ khả năng để quyết định khi nào nên chuyển số. Nó nhận lệnh từ Bộ điều khiển động cơ thông qua mạng CAN.

Về bản chất, các cảm biến và bộ truyền động đóng vai trò là trụ cột cơ bản của hệ thống điều khiển ô tô phản ứng nhanh, hiệu quả và an toàn. Với việc tích hợp các tính năng tiên tiến hơn trong xe, như khả năng lái tự động và hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS), có thể dự đoán được sự gia tăng cả về tầm quan trọng và độ phức tạp của các thành phần này. Nắm bắt chức năng và cơ chế hoạt động của chúng là yếu tố then chốt trong lĩnh vực giáo dục điện tử ô tô.