Hệ thống điện tử ô tô: Các thành phần điện tử trên ô tô

Giới thiệu về thành phần điện tử trong hệ thống ô tô

Các phương tiện hiện đại bao gồm các hệ thống phức tạp kết hợp liền mạch với nhiều thành phần điện tử đa dạng, cho phép khả năng vượt qua khả năng vận chuyển điểm-đến-điểm đơn giản. Xử lý mọi thứ từ hệ thống an toàn đến giải trí, điều khiển động cơ, điều hướng, v.v., những bộ phận điện tử này đã trở thành một phần quan trọng của ô tô. Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá tổng quan về tính đa dạng và vai trò của các bộ phận điện tử trong hệ thống ô tô ngày nay.

Tổng quan về sự đa dạng của các thành phần điện tử

Sự phát triển của ngành điện tử ô tô đã thúc đẩy sự phát triển chưa từng có của các bộ phận bên trong xe. Chúng bao gồm nhưng không bị hạn chế:

Cảm biến: Các tính chất vật lý như áp suất, tốc độ, nhiệt độ và khoảng cách được đo bằng cảm biến.

Bộ truyền động: Bộ truyền động là cơ chế biến đổi tín hiệu điện thành các hoạt động vật lý, như cuộn dây và động cơ.

Bộ điều khiển điện tử: Bộ điều khiển điện tử như Mô-đun điều khiển thân xe (BCM) và Bộ điều khiển động cơ (ECU) lần lượt xử lý nhiều chức năng của xe và thân động cơ.

Điện tử công suất: Trong xe, các bộ phận như bộ biến tần và bộ chuyển đổi điện áp quản lý và biến đổi năng lượng điện.

Mạng truyền thông: Thông qua các giao thức như CAN Bus, FlexRay, LIN và Ethernet, nó cho phép liên lạc trong xe.

Thành phần giao diện người dùng: Các thành phần giao diện người dùng như nút bấm, màn hình cảm ứng và bộ hiển thị cho phép con người tương tác với các hệ thống của xe.

Vai trò của các thành phần điện tử trong xe hiện đại

Trong các phương tiện hiện đại, nhiều loại linh kiện điện tử đóng nhiều vai trò quan trọng:

Kiểm soát nâng cao: Xe có thể tối ưu hóa hiệu quả, lượng khí thải và hiệu suất thông qua ECU và nhiều cảm biến. Các điều kiện và phong cách lái xe khác nhau có thể được điều chỉnh bằng các kỹ thuật điều khiển tiên tiến.

Tăng cường độ an toàn: Để ra và thực hiện quyết định theo thời gian thực, các thuộc tính như Kiểm soát ổn định điện tử (ESC), bộ điều khiển túi khí và Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) phụ thuộc vào các bộ phận điện tử.

Tiện nghi và Tiện lợi: Các bộ phận điện tử cải thiện trải nghiệm lái xe từ hệ thống kiểm soát khí hậu đến các tùy chọn thông tin giải trí tiên tiến.

Điều hướng và Kết nối: Cung cấp các công cụ hỗ trợ điều hướng và cho phép các đặc điểm như chẩn đoán từ xa, mô-đun GPS, giao diện liên lạc không dây và Ethernet cho phép các phương tiện trở thành một phần của hệ sinh thái được kết nối rộng hơn.

Quản lý năng lượng: Trong xe điện và xe hybrid, quản lý năng lượng đóng vai trò then chốt, trong đó các bộ phận điện tử công suất xử lý dòng năng lượng giữa động cơ, pin và các tải khác.

Lái xe tự động: Các hệ thống điện tử tiên tiến, có khả năng cảm biến, quyết định, diễn giải và thực hiện các chức năng lái xe một cách độc lập, là yếu tố then chốt cho sự phát triển của xe tự lái.

Cảm biến trong hệ thống ô tô

Trong hệ thống ô tô, cảm biến đã trở thành một phần không thể tách rời của các phương tiện giao thông ngày nay. Cung cấp thông tin quan trọng theo thời gian thực góp phần đảm bảo an toàn, thoải mái, chức năng và hiệu quả, cảm biến là điều bắt buộc đối với ô tô. Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá nhiều loại cảm biến cũng như vai trò và ứng dụng khác nhau của chúng.

Các loại cảm biến khác nhau

Dựa trên số lượng vật lý ước tính, các cảm biến ô tô có thể được phân loại. Chúng ta hãy kiểm tra một số loại quan trọng:

Cảm biến áp suất: Trong hệ thống phanh, động cơ, lốp xe, v.v., cảm biến áp suất được sử dụng để đo nhiều áp suất. Ví dụ, để cảnh báo người lái xe về lốp non hơi, hệ thống giám sát áp suất lốp (TPMS) dựa vào các cảm biến này.

Cảm biến nhiệt độ: Trong việc theo dõi nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ cabin, nhiệt độ động cơ và nhiệt độ dầu, cảm biến nhiệt độ rất quan trọng. Để duy trì điều kiện làm việc tối ưu và tránh quá nhiệt, chúng kích hoạt hệ thống điều khiển.

Cảm biến tiệm cận: Cảm biến tiệm cận, thường được sử dụng trong các hệ thống hỗ trợ đỗ xe, xác định các vật thể ở gần và cung cấp phản hồi cho người lái xe, từ đó hỗ trợ ngăn ngừa va chạm.

Cảm biến tốc độ: Cảm biến tốc độ được sử dụng để ước tính tốc độ của nhiều yếu tố như đầu ra hộp số, tốc độ động cơ và bánh xe. Đối với các chức năng như ABS và kiểm soát hành trình, chúng rất quan trọng.

Cảm biến oxy: Cảm biến oxy được tìm thấy trong hệ thống xả và đo nồng độ oxy trong khí thải, cho phép bộ điều khiển động cơ điều chỉnh hỗn hợp nhiên liệu để đốt cháy tối ưu.

Cảm biến vị trí: Cảm biến vị trí được sử dụng để tìm vị trí của nhiều bộ phận như trục khuỷu, trục cam, ga, v.v. Chúng rất quan trọng đối với thời gian và hiệu suất của động cơ.

Cảm biến ánh sáng: Dựa trên mức độ ánh sáng xung quanh, cảm biến ánh sáng có thể tự động điều khiển đèn pha, cải thiện sự tiện lợi và an toàn.

Cảm biến mưa: Cảm biến mưa được sử dụng để xử lý cần gạt nước trên kính chắn gió bằng cách điều chỉnh tốc độ của chúng theo cường độ mưa.

Cảm biến quán tính: Để phát hiện hướng và chuyển động của xe, các cảm biến quán tính như con quay hồi chuyển và gia tốc kế được sử dụng trong hệ thống kiểm soát độ ổn định.

Vai trò và ứng dụng của cảm biến

Trong các hệ thống ô tô, ứng dụng của cảm biến rất rộng rãi và không ngừng phát triển cùng với sự tiến bộ của công nghệ:

Quản lý động cơ: Để đảm bảo hiệu suất động cơ, kiểm soát khí thải và hiệu suất tối ưu, các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, oxy và áp suất sẽ cung cấp dữ liệu cho ECU.

Hệ thống an toàn: Cung cấp dữ liệu thời gian thực để tránh trượt bánh và mất kiểm soát, cảm biến tốc độ và quán tính rất quan trọng trong các hệ thống như kiểm soát lực kéo, ABS và ESC.

Tiện nghi và Tiện lợi: Thông qua hệ thống chiếu sáng thích ứng, hệ thống kiểm soát khí hậu tự động, hỗ trợ đỗ xe, v.v., các cảm biến sẽ cải thiện trải nghiệm lái xe.

Tiết kiệm nhiên liệu: Với khả năng giám sát và kiểm soát chính xác, các cảm biến góp phần mang lại hiệu quả sử dụng nhiên liệu tốt hơn bằng cách đảm bảo hoạt động của động cơ trong các yếu tố tối ưu.

Bảo trì phòng ngừa: Những bất thường có thể được phát hiện bằng cảm biến. Nó cũng kích hoạt việc bảo trì kịp thời và cuối cùng là tăng tuổi thọ của các bộ phận trên xe.

Lái xe tự động: Các phương tiện tự hành trong tương lai sẽ dựa vào nhiều loại cảm biến, chẳng hạn như radar, LiDAR và camera, những cảm biến cần thiết để cho phép phương tiện nhận biết và tương tác với môi trường của nó.

Trong thiết bị điện tử ô tô, cảm biến hiển thị một trong những yếu tố quan trọng và linh hoạt nhất. Vai trò của chúng rất đa dạng, từ các chức năng cơ bản đến các đặc điểm thông minh, nâng cao. Những tiến bộ trong công nghệ ô tô dự kiến ​​sẽ làm tăng sự phụ thuộc vào cảm biến, thúc đẩy sự đổi mới ngày càng tăng và sự tích hợp của chúng trên các lĩnh vực khác nhau trong thiết kế và vận hành xe.

Cơ cấu chấp hành trong hệ thống ô tô

Trong các hệ thống ô tô, bộ truyền động hay cơ cấu chấp hành đóng vai trò cơ bản là biến tín hiệu điện thành hành động cơ học. Phối hợp liền mạch với các cảm biến, chúng phản ứng với các tín hiệu điều khiển đa dạng, thực hiện các chức năng quan trọng trong xe. Trọng tâm của phần này là khám phá các loại thiết bị truyền động khác nhau, chức năng đa dạng của chúng và cách chúng được sử dụng trong lĩnh vực ô tô.

Các loại cơ cấu chấp hành khác nhau

Dựa trên chức năng và loại chuyển động mà chúng phát triển, có thể phân loại các bộ truyền động trong hệ thống ô tô. Một số loại phổ biến là:

Động cơ/mô-tơ:

• Động cơ DC: Động cơ DC thường được sử dụng trong cần gạt nước kính chắn gió, bộ điều chỉnh cửa sổ và tay lái trợ lực điện.
• Động cơ bước: Động cơ bước được sử dụng trong hệ thống HVAC để kiểm soát luồng không khí và xử lý đồng hồ đo.
• Động cơ DC không chổi than: Động cơ DC không chổi than được sử dụng trong các ứng dụng hiệu suất cao như hệ thống truyền động của xe điện.

Solenoid:

Để biến đổi năng lượng điện thành chuyển động tuyến tính, các Solenoid là bộ truyền động điện từ. Chúng thường được sử dụng trong khóa cửa, hệ thống khởi động và kim phun nhiên liệu.

Rơle:

Rơle, mặc dù không được phân loại là thiết bị truyền động theo nghĩa thông thường, nhưng có chức năng như các công tắc có khả năng quản lý dòng điện đáng kể bằng cách sử dụng tín hiệu điều khiển tối thiểu. Khi xử lý nhiều bộ truyền động trong xe, rơle rất quan trọng.

Bộ truyền động khí nén:

Những bộ truyền động này là khí nén để thực hiện chuyển động mong muốn, được sử dụng trong hệ thống phanh và điều khiển hệ thống treo.

Bộ truyền động thủy lực:

Bộ truyền động thủy lực có mặt trong các hệ thống cần lực cao, như hệ thống lái trợ lực thủy lực và bộ truyền động phanh.

Thiết bị truyền động nhiệt:

Thiết bị truyền động loại này phụ thuộc vào vật liệu có khả năng thay đổi hình dạng dựa trên sự dao động nhiệt độ, tương tự như vật liệu được sử dụng trong các van hằng nhiệt trong thiết lập làm mát.

Thiết bị truyền động áp điện:

Chúng cung cấp khả năng điều khiển chính xác và thời gian phản hồi nhanh thường thấy ở các kim phun nhiên liệu hiện đại.

Vai trò và ứng dụng của bộ truyền động

Trong các hệ thống ô tô, ứng dụng của bộ truyền động rất đa dạng, bao gồm hầu hết mọi thông số vận hành của xe:

Điều khiển động cơ: Để tối ưu hóa hiệu suất động cơ, khí thải và tiết kiệm nhiên liệu, bộ truyền động xử lý lượng khí nạp, luồng khí thải và phun nhiên liệu.

Điều khiển hộp số: Cho phép truyền lực trơn tru và hiệu quả, các bộ truyền động điện và thủy lực tham gia và ngắt ly hợp và hộp số sang số.

Kiểm soát khí hậu: Trong hệ thống HVAC, bộ truyền động xử lý nhiệt độ, phân phối, luồng không khí, nâng cao sự thoải mái cho hành khách.

Hệ thống an toàn: Bộ truyền động cung cấp lực cần thiết để xử lý hướng và tốc độ của xe trong hệ thống phanh và lái. Trong các hệ thống như kiểm soát ổn định điện tử (ESC) và chống bó cứng phanh (ABC).

Tính năng tiện lợi: Các tiện nghi như gương điều chỉnh, ghế tự động điều chỉnh, cửa sổ chỉnh điện, v.v. được kích hoạt bằng bộ truyền động.

Hệ thống treo: Bộ truyền động trong hệ thống treo thích ứng sẽ tự động thay đổi độ cứng và tính năng giảm xóc, từ đó nâng cao cả chất lượng lái và hiệu suất xử lý.

Kiểm soát khí thải: Trong hệ thống xả, bộ truyền động quản lý hoạt động của các bộ phận kiểm soát khí thải và dòng khí.

Hệ thống hỗ trợ người lái tự động và tiên tiến (ADAS): Thiết bị truyền động sẽ đóng một vai trò quan trọng trong các phương tiện tự hành trong tương lai bằng cách thực hiện các thao tác lái xe phức tạp một cách liền mạch, loại bỏ nhu cầu can thiệp của con người.

Để có trải nghiệm lái xe hiện đại, bộ truyền động là cần thiết trong hệ thống ô tô. Kích hoạt vô số chức năng nâng cao nhằm nâng cao hiệu quả, hiệu suất, độ an toàn và sự thoải mái, chúng cung cấp các phản ứng cơ học cho các lệnh điện tử. Điều quan trọng đối với các kỹ sư ô tô là phải nắm bắt được các loại, chức năng và cách sử dụng khác nhau của bộ truyền động, do vai trò của chúng trong việc chế tạo và đồng hóa các hệ thống thông minh và phức tạp ngày càng tăng trong các thế hệ xe sắp tới.

Bộ Điều khiển Điện tử (ECU)

Tổng quan về các bộ phận điều khiển trên xe

Trong xe, Bộ điều khiển điện tử là bộ vi điều khiển chuyên dụng để điều khiển các chức năng cụ thể. Từ chuyển số và hiệu suất động cơ đến hệ thống kiểm soát khí hậu, thông tin giải trí và an toàn, họ xử lý mọi thứ.

Các khối xây dựng cơ bản của Bộ điều khiển điện tử: Các khối xây dựng cơ bản sau đây được bao gồm trong ECU:

Giao diện của các cảm biến được liên kết với ECU được gọi là “thu nhận” (acquisition). Nó có mạch điều hòa kỹ thuật số hoặc analog. Bộ vi điều khiển, bao gồm các chức năng tính toán và điều khiển, thực hiện các phép toán logic số học cùng với các thành phần hỗ trợ của nó. Trong mạch, bus truyền thông là nhiều loại kết nối khác nhau (LIN, FlexRay, CAN, Ethernet, v.v.) với các ECU khác. Thuật ngữ “kích hoạt” (actuating) dùng để chỉ các công tắc chung trong mô-đun chịu trách nhiệm quản lý nhiều loại tải điện, bao gồm động cơ, máy sưởi, cuộn dây điện từ, v.v.

Tính mô-đun: Thiết kế theo mô-đun, Bộ điều khiển điện có thể là các mô-đun được cá nhân hóa phục vụ cho việc điều khiển động cơ, hệ thống túi khí, điều khiển hộp số và nhiều chức năng khác. Với những chiếc xe hiện đại có trên 100 ECU, nhiều nhà cung cấp ô tô chuyên thiết kế những bộ phận này cho các khía cạnh khác nhau của hệ thống xe. Khi quan sát phương tiện của một nhà sản xuất ô tô, chúng ta không chỉ ngưỡng mộ nhà sản xuất đó mà còn ghi nhận những nhà cung cấp đa dạng có sản phẩm được tích hợp vào hệ thống.

Tích hợp: Để đảm bảo hệ thống xe hoàn chỉnh hoạt động một cách gắn kết, các bộ phận điều khiển tương tác với nhau, chia sẻ dữ liệu và lệnh.

Xử lý theo thời gian thực: Để đáp ứng các điều kiện thay đổi nhanh chóng, như thay đổi về tốc độ xe, tải trọng động cơ hoặc điều kiện lái xe, nhiều bộ điều khiển cần có khả năng xử lý theo thời gian thực.

Khả năng thích ứng: Bộ điều khiển ngày càng trở nên linh hoạt và có thể được cập nhật các đặc tính và tối ưu hóa mới cùng với sự phát triển của các chức năng được xác định bằng phần mềm trên xe.

Bộ điều khiển động cơ (ECU)

Do tính phức tạp và tầm quan trọng cao, Bộ điều khiển động cơ (ECU, được biết đến với cùng tên viết tắt là Bộ điều khiển điện tử) là một trong những Bộ phận điều khiển quan trọng của xe, chịu trách nhiệm giám sát và điều chỉnh hoạt động của động cơ.

Chức năng

• Quản lý nhiên liệu: Để tăng hiệu suất, giảm lượng khí thải và tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu, ECU ước tính tỷ lệ nhiên liệu-không khí tối ưu, quản lý hệ thống đánh lửa và xử lý thời điểm phun nhiên liệu.
• Giám sát tình trạng động cơ: Để đảm bảo động cơ hoạt động ở khía cạnh an toàn hơn, ECU liên tục xử lý nhiệt độ động cơ, lượng khí nạp, khí thải, nhiệt độ động cơ và các thông số khác.
• Kiểm soát khí thải: ECU đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải bằng cách kết hợp với các hệ thống như bộ chuyển đổi xúc tác và hệ thống tuần hoàn khí thải (ECG).

Thích ứng và Chẩn đoán

Trong các ECU hiện đại, khả năng điều chỉnh độ mòn và thay đổi trong các tình huống vận hành ảnh hưởng đến các bộ phận khác nhau của xe, chẳng hạn như bộ lọc không khí có khả năng bị tắc, cho phép ECU duy trì hiệu suất cao nhất bằng cách sửa đổi các biến điều khiển của nó. Đối với các kỹ thuật viên dịch vụ, nó cũng cung cấp khả năng chẩn đoán.

Mô-đun điều khiển thân xe (BCM)

Nhiệm vụ của Mô-đun điều khiển thân xe (BCM) bao gồm nhiều chức năng không liên quan đến hệ thống truyền động; thay vào đó, nó tập trung vào việc quản lý khoang hành khách và các khía cạnh bên ngoài của xe.

Chức năng

• Kiểm soát ánh sáng: Xử lý ánh sáng nội thất, đèn pha và đèn hậu.
• Kiểm soát khí hậu: Quản lý điều hòa không khí, sưởi ấm và thông gió.
• Kiểm soát cửa và cửa sổ: Kiểm soát khóa trung tâm, cửa sổ điện và các đặc điểm liên quan đến truy cập khác.
• Tích hợp thông tin giải trí: Để xử lý các chức năng điều hướng, âm thanh và kết nối, nhiều BCM tương tác với hệ thống thông tin giải trí.

Kết nối mạng

Trên xe, BCM thường xuyên giao tiếp với một số module khác, cần khả năng giao tiếp mạnh. Đối với nhiều cảm biến và bộ truyền động liên quan đến chức năng thân xe, chúng thường hoạt động như một trung tâm.

An ninh

Trong an ninh phương tiện, immobilizer, xử lý hệ thống báo động và ra vào không cần chìa khóa, BCM đóng vai trò quan trọng.

Bộ điều khiển là đầu mối cho hoạt động liền mạch của các phương tiện hiện đại. Việc tạo ra một hệ thống ô tô gắn kết và phản ứng nhanh đòi hỏi sự tích hợp và phối hợp phức tạp, được minh họa bằng nhiều Đơn vị Điều khiển như ECU và BCM, mỗi Đơn vị phục vụ các loại và chức năng khác nhau. Các kỹ sư và kỹ thuật viên ô tô phải nắm bắt toàn diện các đơn vị này để thiết kế, phát triển, bảo trì và xử lý sự cố hiệu quả. Khi các phương tiện ngày càng tích hợp phần mềm và giải pháp kết nối, sự phát triển liên tục nhấn mạnh tầm quan trọng của sự hiểu biết này.

Thành phần điện tử công suất

Các thành phần điện tử công suất đóng vai trò hỗ trợ nền tảng cho phép chuyển đổi và điều tiết năng lượng điện trong hệ sinh thái điện tử ô tô phức tạp. Bộ chuyển đổi và bộ biến tần là những thành phần quan trọng đóng vai trò then chốt trong việc điều chỉnh và thay đổi năng lượng điện để đáp ứng các yêu cầu riêng biệt của các hệ thống con khác nhau trong xe. Trong phần này, chúng ta đi sâu vào vai trò quan trọng của các thành phần này và sự hiểu biết sâu sắc về các ứng dụng và chức năng của chúng.

Bộ chuyển đổi (Converter)

Các thiết bị điện tử công suất được sử dụng để thay đổi mức điện áp của nguồn điện được gọi là bộ chuyển đổi. Bộ chuyển đổi đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng trong hệ thống ô tô:

Bộ chuyển đổi DC/DC

• Chức năng: Cung cấp khả năng thích ứng trong việc kết nối các hệ thống con khác nhau cần các mức điện áp khác nhau, chúng biến đổi nguồn điện áp DC từ cấp này sang cấp khác.

• Ứng dụng trong Xe điện (EV): Để giảm điện áp từ pin điện áp cao xuống hệ thống 12V, bộ chuyển đổi DC/DC được sử dụng.

• Bộ chuyển đổi Buck: Bộ chuyển đổi Buck thường được sử dụng trong các ứng dụng tiết kiệm năng lượng và giảm điện áp từ mức cao hơn xuống mức thấp hơn.

• Bộ chuyển đổi tăng cường: Mặt khác, bộ chuyển đổi tăng cường nâng mức điện áp từ mức thấp lên mức cao hơn, đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống như phanh tái tạo, bao gồm việc thu và lưu trữ năng lượng.

Bộ chuyển đổi Hiệu chỉnh Hệ số Công suất (PFC)

• Chức năng: Bộ chuyển đổi PFC được sử dụng để điều chỉnh dạng sóng điện áp và dòng điện trong bộ sạc tích hợp, cuối cùng là tối ưu hóa hệ số công suất. Tối đa hóa chuyển đổi năng lượng điện đảm bảo chuyển đổi hiệu quả thành công đầu ra có giá trị.

• Ứng dụng trong Xe điện (EV): Bộ chuyển đổi PFC đóng vai trò then chốt trong hệ thống sạc trên xe điện, giúp giảm thiểu đáng kể hiện tượng méo sóng hài đồng thời nâng cao hiệu quả của quy trình chuyển đổi năng lượng. Những bộ chuyển đổi này, thông qua việc duy trì hệ số công suất gần như đồng nhất, tạo điều kiện nâng cao hiệu quả truyền năng lượng từ lưới điện tới phương tiện, dẫn đến giảm thời gian sạc và giảm thiểu lãng phí năng lượng.

Những cân nhắc về thiết kế

• Hiệu quả: Chìa khóa để giảm tổn thất là chọn các phần tử chuyển mạch và kỹ thuật điều khiển thích hợp. Tổn thất chuyển mạch và tổn thất dẫn điện là hai nguồn gốc chính của tổn thất. Việc tăng tần số chuyển mạch có khả năng làm giảm kích thước linh kiện trong mạch; tuy nhiên, nó đồng thời làm tăng tổn hao chuyển mạch sinh ra trong các bộ phận của bộ chuyển đổi. Để giảm thiểu tổn thất dẫn điện, người ta có thể lựa chọn các thành phần có điện trở thấp hơn hoặc các thành phần song song, nhưng phải trả giá bằng việc tăng kích thước và chi phí mạch.

• Quản lý nhiệt: Để quản lý tản nhiệt, hệ thống làm mát phù hợp phải được triển khai. Các ứng dụng công suất cao đòi hỏi phải sử dụng phương pháp làm mát bằng không khí, được hỗ trợ bằng quạt hoặc phương pháp làm mát bằng chất lỏng. Cả hai trường hợp đều yêu cầu thiết lập điện trở nhiệt thấp giữa các bộ phận chuyển mạch và bề mặt làm mát của mô-đun, đạt được thông qua việc sử dụng bộ tản nhiệt và vật liệu tản nhiệt.

• Khử tiếng ồn/nhiễu: Để giảm thiểu nhiễu điện từ (EMI), cần có các chiến thuật nối đất, lọc và che chắn thích hợp.

• Cách ly: Áp dụng quy tắc cách ly điện áp nguy hiểm nếu điện áp biến đổi lớn hơn 60V

Biến tần (Inverter)

Trong lĩnh vực xe điện và xe hybrid, việc chuyển đổi quan trọng từ dòng điện một chiều (DC) sang dòng điện xoay chiều (AC) được thực hiện bằng bộ biến tần.

Chức năng

• Chuyển đổi DC sang AC: Để điều khiển động cơ điện trong xe điện và xe điện hybrid (HEV), bộ biến tần lấy nguồn DC từ pin điện áp cao và chuyển đổi nó thành nguồn AC cần thiết.

• Điều khiển tần số thay đổi (Variable Frequency Drive): Cho phép điều khiển chính xác mô-men xoắn và tốc độ động cơ, bộ biến tần tiên tiến có thể thay đổi tần số của AC đầu ra.

Các ứng dụng chính trong hệ thống ô tô

• Điều khiển động cơ: Điều khiển động cơ được sử dụng trong xe điện và xe hybrid để vận hành động cơ kéo chính.

• Quản lý năng lượng: Thích ứng với các yêu cầu khác nhau trong các điều kiện lái xe khác nhau, quản lý năng lượng giúp phân phối năng lượng trên nhiều hệ thống con.

Những thách thức về thiết kế

• Hiệu suất: Cần lựa chọn cẩn thận các chất bán dẫn và thuật toán điều khiển, cần có hiệu suất cao để tăng phạm vi hoạt động của xe điện. Bộ biến tần lực kéo cung cấp năng lượng cho E-Machine với công suất tối đa 700kW.

• Độ tin cậy và độ bền: Thiết kế chắc chắn và thử nghiệm nghiêm ngặt là rất quan trọng cùng với vai trò quan trọng của bộ biến tần trong động cơ đẩy.

• Tích hợp: Cần có một kỹ thuật đa ngành do sự phức tạp của việc kết hợp bộ biến tần vào các hệ thống khác, như hệ thống quản lý nhiệt và quản lý pin.

Các nguyên tắc hướng dẫn thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC cũng mở rộng sang lĩnh vực bộ biến tần.

Các yếu tố không thể thiếu trong bối cảnh điện tử công suất ô tô là bộ chuyển đổi và bộ biến tần. Cho phép kiểm soát năng lượng điện một cách hiệu quả, chúng thích ứng với nhu cầu năng lượng đa dạng và phức tạp của các phương tiện hiện đại, đảm bảo tính linh hoạt trong quản lý. Sự hiểu biết sâu sắc về cách chúng hoạt động, ứng dụng của chúng và những cân nhắc thiết kế thiết yếu là rất quan trọng đối với các kỹ sư ô tô, đặc biệt là trước sự tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ xe điện và xe hybrid. Sự tinh tế và phức tạp của các hệ thống điện tử ô tô hiện đại được nhấn mạnh bởi vai trò then chốt của chúng trong việc chuyển đổi, quản lý và tối ưu hóa năng lượng. Điều này nhấn mạnh nhu cầu thiết yếu về chuyên môn và kiến ​​thức liên ngành trong lĩnh vực năng động này.

Mô-đun và giao diện truyền thông

Để hoạt động hiệu quả, các phương tiện ngày nay được trang bị nhiều loại thiết bị và hệ thống điện tử phải tương tác với nhau. Để giao tiếp hiệu quả, điều cần thiết là phải có các giao diện và mô-đun linh hoạt, dễ thích ứng và hợp lý do tính phức tạp liên quan. Trong kỹ thuật ô tô, sự tương tác phức tạp được hỗ trợ bởi bốn công nghệ truyền thông chính: Bus Mạng khu vực điều khiển (CAN), Mạng kết nối cục bộ (LIN), Ethernet và FlexRay. Trong kiến ​​trúc hoàn chỉnh của xe, mỗi loại có vai trò và tính năng cụ thể phù hợp với các yêu cầu khác nhau.

Bus mạng khu vực điều khiển (CAN)

Trong ngành công nghiệp ô tô, CAN Bus là một giao thức truyền thông mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi. Hệ thống bus nối tiếp đa tổng thể (multi-master serial bus) đang hoạt động, cho phép liên lạc giữa nhiều thiết bị mà không cần phụ thuộc vào máy tính trung tâm. Trọng tài quyết định ai là người nói trước. Mỗi nút (node) bao gồm số nhận dạng của nó trong phạm vi phát sóng của nó và trong số các nút phát sóng đồng thời, nút có số nhận dạng cao nhất sẽ được ưu tiên phát biểu trước.

Chức năng

• Giao thức dựa trên thông báo: Thông báo không được truyền giữa các nút bằng địa chỉ; thay vào đó, mọi nút trong bus đều có khả năng hiển thị thông báo, cho phép chúng xác định xem nên loại bỏ hay xử lý thông báo đó, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền dữ liệu hiệu quả và thích ứng.

• Khả năng chịu lỗi: Thiết kế của hệ thống đảm bảo hoạt động không bị gián đoạn, ngay cả trong trường hợp các thành phần mạng cụ thể bị lỗi, chẳng hạn như xảy ra hở mạch hoặc đoản mạch ở một trong các đường dữ liệu.

Ứng dụng

• Điều khiển thời gian thực: Điều khiển thời gian thực được sử dụng trong các hệ thống quan trọng như phanh, trợ lực lái và điều khiển động cơ.

• Chẩn đoán: Chẩn đoán tích hợp (OBD) hợp lý hóa các quy trình khắc phục sự cố và bảo trì.

Những cân nhắc về thiết kế

• Tốc độ dữ liệu: Tốc độ dữ liệu thường hoạt động ở tốc độ lên tới 1 Mbps.

• Bảo mật: Để ngăn chặn truy cập trái phép và giả mạo, các biện pháp bảo mật thích hợp có thể được thực hiện.

Lớp phần cứng

• CAN được coi là mạng bán song công (half-duplex network). Các đường vi sai được gọi là CAN_HIGH và CAN_LOW mang tín hiệu. Sự chênh lệch về điện áp giữa hai đường này biểu thị số 1 hoặc 0. Cả hai đầu của bus CAN đều yêu cầu kết thúc bằng điện trở 120 ohm, trong khi bộ dây CAN phải có trở kháng đặc tính là 120 ohm để giảm thiểu phản xạ.

Mạng kết nối cục bộ (LIN)

So với CAN, LIN là giao thức liên lạc tiết kiệm chi phí hơn và được sử dụng để liên lạc ít nhạy cảm về thời gian hơn trong xe.

Chức năng

• Cấu hình Master-Slave: Quản lý mạng đơn giản bằng cách bao gồm một master và nhiều Slave.

• Tốc độ dữ liệu thấp: Với tốc độ dữ liệu lên tới 20 kbps, nó phù hợp cho các hoạt động không quan trọng.

Ứng dụng

• Hệ thống nội thất: Nó được sử dụng cho gương, điều chỉnh ghế, điều khiển cửa sổ và các tính năng tiện nghi khác.

Lớp phần cứng

• LIN được coi là mạng bán song công. Một đường duy nhất mang tín hiệu và tín hiệu trở lại được nối đất. Thông thường, tín hiệu LIN hoạt động ở điện áp pin, mặc dù tiêu chuẩn cho phép chúng sử dụng điện áp bus rời rạc chuyên dụng được phân bổ riêng cho LIN. Một điện trở kéo mỗi nút lên đến điện áp bus, với một điện trở kéo lên mạnh hơn được đặt riêng tại nút Chính.

Ethernet

Đặc biệt là trong các hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS) và hệ thống thông tin giải trí, ethernet trong các ứng dụng ô tô ngày càng trở nên phổ biến.

Chức năng

• Tốc độ dữ liệu cao: Cho phép truyền khối lượng dữ liệu đáng kể, nó duy trì tốc độ ít nhất 1 Gbps trở lên.

• Giao thức được tiêu chuẩn hóa: Cho phép tương thích trên nhiều thiết bị và hệ thống.

Ứng dụng

• Hệ thống thông tin giải trí: Hệ thống thông tin giải trí được sử dụng cho các giao diện người dùng phức tạp, truyền phát video và điều hướng.

• ADAS: Trong các tính năng an toàn nâng cao, ADAS cho phép giao tiếp tốc độ cao cần thiết để xử lý theo thời gian thực.

Lớp phần cứng

• Giao tiếp qua Ethernet có thể xảy ra ở chế độ bán song công hoặc song công. Cáp xoắn đôi cách ly điện cho tín hiệu TX và RX giảm thiểu phát thải nhiễu ở cả chế độ chung và chế độ vi sai. Chỉ có hai nút hiện diện trong một bus ethernet. Với sự hỗ trợ của các cổng và bộ chuyển mạch, việc giao tiếp giữa nhiều nút được giải quyết.

Flexray

Cung cấp khả năng truyền dữ liệu xác định, FlexRay được thiết kế cho các ứng dụng ô tô hiệu suất cao.

Chức năng

• Kiến trúc kênh đôi (Dual-Channel): Khả năng chịu lỗi và dự phòng được cung cấp bởi kiến ​​trúc kênh đôi.

• Giao tiếp kích hoạt thời gian (Time-Triggered Communication): Giao tiếp đồng bộ và không đồng bộ được hỗ trợ bởi giao tiếp kích hoạt thời gian và cho phép điều khiển thời gian chính xác.

Ứng dụng

• Hệ thống Drive-by-Wire: Nó phù hợp cho các ứng dụng điều khiển quan trọng như điều khiển lái hoặc điều khiển ga.

Lớp phần cứng

• Bus giống như CAN. Cùng một bus có thể chứa được nhiều nút. Các cặp xoắn tạo thành các tín hiệu, cho phép sử dụng kênh phụ (Kênh B) để cung cấp dự phòng trong trường hợp kênh ban đầu bị xâm phạm.

Cấu trúc liên kết mạng

Cấu trúc liên kết Bus (Bus Topology): Cấu trúc liên kết Bus có một đường truyền thông duy nhất kết nối tất cả các thiết bị và nó được sử dụng trong mạng CAN. Mặc dù đơn giản và rẻ tiền nhưng có thể trở nên phức tạp nếu có nhiều thiết bị được kết nối.

Cấu trúc liên kết hình sao (Star Topology): Cấu trúc liên kết hình sao bao gồm một nút duy nhất được kết nối với tất cả các thiết bị khác và thường được sử dụng với Ethernet và LIN. Nó có thể tạo ra lỗi một điểm do tập trung hóa, giúp đơn giản hóa việc nối dây.

Cấu trúc liên kết Hybrid (Hybrid Topology): Cấu trúc liên kết Hybridlà sự kết hợp của nhiều cấu trúc liên kết. Theo yêu cầu, nó cho phép linh hoạt và tối ưu hóa các phân đoạn mạng khác nhau. Cấu trúc liên kết này thường được FlexRay sử dụng.

Cấu trúc liên kết vòng (Ring Topology): Cho phép dữ liệu truyền cho đến khi đến đích, cấu trúc liên kết vòng kết nối các thiết bị theo mô hình vòng tròn. Nó được sử dụng trong một số triển khai FlexRay. Cùng với việc cung cấp khả năng chịu lỗi, nó còn làm tăng thêm sự phức tạp.

Cấu trúc liên kết dạng lưới (Mesh Topology): Cung cấp các đường dẫn khác nhau để truyền dữ liệu, cấu trúc liên kết dạng lưới kết nối các thiết bị với một số thiết bị khác trong mạng và nó có thể được thấy trong các ứng dụng có độ dự phòng cao. Việc thực hiện có thể phức tạp và tốn kém nhưng nâng cao độ tin cậy.

Các giao thức và cấu trúc liên kết khác nhau hoạt động hài hòa để tạo điều kiện thuận lợi cho mạng lưới liên lạc phức tạp trong xe, mỗi giao thức thực hiện các vai trò riêng biệt và phục vụ cho các ứng dụng cụ thể. CAN và LIN giải quyết các chức năng điều khiển thông thường, mỗi chức năng có đặc điểm hiệu suất và chi phí riêng. Trong khi đó, FlexRay và Ethernet là công cụ mở ra làn sóng tính năng tiếp theo cho ô tô, đòi hỏi tốc độ dữ liệu tăng lên và thiết lập nâng cao để hỗ trợ các khả năng thế hệ tiếp theo.

Đạt được sự hiểu biết về các mạng này và cấu trúc liên kết cơ bản của chúng mang lại một góc nhìn nền tảng về cách các hệ thống điện tử được bố trí phức tạp trong các phương tiện hiện đại. Khả năng này trang bị cho các kỹ sư kiến ​​thức chuyên môn cần thiết để tạo ra và giải quyết các vấn đề phức tạp trong hệ thống, đáp ứng nhu cầu của lĩnh vực ô tô kết nối ngày nay, lĩnh vực ngày càng tự hành hơn. Việc lựa chọn giao thức liên lạc và cấu trúc liên kết mạng phù hợp một cách tỉ mỉ là rất quan trọng để xây dựng kiến ​​trúc điện tử trên xe được tối ưu hóa, linh hoạt và chuẩn bị cho những tiến bộ trong tương lai.

Thành phần giao diện người dùng

Các thành phần Giao diện người dùng (UI) nâng cao tạo điều kiện thuận lợi cho sự tương tác giữa người lái và nhiều hệ thống của xe trên các phương tiện hiện đại. Giúp người lái giám sát và kiểm soát các chức năng của xe một cách hiệu quả, các thành phần UI này đã trở nên quan trọng trong việc mang lại trải nghiệm lái xe liền mạch và trực quan. Các giao diện người dùng này được cấu thành bởi các đơn vị hiển thị và thiết bị đầu vào như màn hình cảm ứng và nút bấm. Chúng ta sẽ đi sâu vào vai trò, loại và ứng dụng của những yếu tố cần thiết này trong phần này.

Đơn vị hiển thị

Các đơn vị hiển thị đóng vai trò là yếu tố quan trọng, cung cấp cho cả người lái và hành khách những thông tin và phản hồi trực quan cần thiết. Đóng vai trò quan trọng, chúng giải thích dữ liệu có nguồn gốc từ các hệ thống phương tiện khác nhau, các lựa chọn giải trí, hỗ trợ điều hướng, v.v.

Loại và chức năng

• Cụm đồng hồ: Bao gồm đồng hồ tốc độ, đồng hồ đo nhiên liệu, máy đo tốc độ và các chỉ báo quan trọng bổ sung phản ánh trạng thái của xe. Màn hình kỹ thuật số, thường được sử dụng trong các phương tiện hiện đại, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tùy chỉnh và tích hợp liền mạch với nhiều hệ thống khác.

• Màn hình thông tin giải trí: Thông thường, các giao diện này là màn hình cảm ứng cho phép truy cập vào các chức năng giải trí, kiểm soát khí hậu, điều hướng và kết nối.

• Màn hình hiển thị trên kính chắn gió (Head-Up – HUD): Được chiếu lên kính chắn gió, HUD (Màn hình kính chắn gió) cho phép người lái xe truy cập thông tin lái xe quan trọng mà không cần rời mắt khỏi con đường phía trước.

Những cân nhắc về thiết kế

• Khả năng hiển thị: Đạt được khả năng hiển thị tối ưu trong các tình huống chiếu sáng khác nhau là điều cần thiết.

• Công thái học: Tối ưu hóa sự thoải mái và an toàn cho người lái bằng cách định vị và kích thước màn hình phù hợp.

• Tích hợp: Tạo ra sức mạnh tổng hợp giữa màn hình và các thành phần thiết kế nội thất bổ sung đồng thời đáp ứng các yêu cầu hệ thống.

Thiết bị nhập liệu (ví dụ: Nút, Màn hình cảm ứng)

Cho phép tương tác và kiểm soát các hệ thống điện tử đa dạng của xe cho cả người lái và hành khách, các thiết bị đầu vào đóng một vai trò quan trọng. Điều khiển cơ học truyền thống và giao diện cảm ứng tiên tiến được bao gồm trong này.

Loại và chức năng

• Nút và núm: Các chức năng cần điều chỉnh thường xuyên, như điều khiển hành trình, điều khiển khí hậu, xử lý điện thoại và âm lượng âm thanh thường sử dụng nút và núm và cung cấp phản hồi xúc giác.

• Màn hình cảm ứng: Trung tâm của hệ thống thông tin giải trí hiện đại là màn hình cảm ứng, cung cấp giao diện linh hoạt và trực quan để điều hướng, giải trí và điều chỉnh cài đặt.

• Điều khiển bằng giọng nói: Điều khiển bằng giọng nói, ngày càng phổ biến trên các phương tiện hiện đại, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận hành rảnh tay các chức năng đa dạng, từ đó cải thiện cả sự an toàn và tiện lợi.

Những cân nhắc về thiết kế

• Khả năng sử dụng: Với sự chú ý đến kích thước, hình dạng và khả năng kiểm soát vị trí, chúng được thiết kế để dễ sử dụng.

• Khả năng tiếp cận: Đảm bảo các điều khiển có thể dễ dàng tiếp cận và phân biệt bằng cảm giác xúc giác.

• Tính thẩm mỹ: Hài hòa về thiết kế điều khiển để phù hợp với phong cách tổng thể nội thất của xe.

Trong việc định hình trải nghiệm lái xe nâng cao, các thành phần giao diện người dùng rất quan trọng. Bằng cách tích hợp các đơn vị hiển thị được thiết kế tốt và nhiều thiết bị đầu vào, các phương tiện hiện đại áp dụng cách tiếp cận lấy người dùng làm trung tâm nhằm tăng cường cả chức năng và sức hấp dẫn về mặt thẩm mỹ.

Đối với các kỹ sư, nhà sản xuất và nhà thiết kế ô tô, việc hiểu rõ thiết kế, chức năng và sự tích hợp của các yếu tố này là rất quan trọng. Với sự phát triển không ngừng của các phương tiện kết hợp các tính năng tiên tiến và tùy chọn kết nối ngày càng tăng, tầm quan trọng của các thành phần giao diện người dùng đã sẵn sàng mở rộng, tích hợp liền mạch công nghệ vào nhu cầu vận chuyển hàng ngày của chúng ta.