Hệ thống điện tử ô tô: Các thành phần điện tử trên ô tô – Phần 2

Thành phần điện tử công suất

EnterKnow: 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.