Hệ thống điện tử ô tô: Các thành phần điện tử trên ô tô – Phần 1

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

EnterKnow: 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.