Cơ bản về quản lý năng lượng ô tô

Giới thiệu về Quản lý năng lượng trong Hệ thống ô tô

EnterKnow: Với sự phát triển của những chiếc ô tô điện hóa và tinh vi hơn, quản lý năng lượng trong bối cảnh hệ thống ô tô đã nổi lên như một lĩnh vực quan trọng và phức tạp. Đối với các kỹ sư và kỹ thuật viên làm việc trên ô tô hiện đại, việc nắm vững quản lý năng lượng là điều cần thiết vì ngành công nghiệp ô tô tiếp tục thay đổi.

Định nghĩa và ý nghĩa của quản lý năng lượng (điện năng)

Trong hệ thống ô tô, quản lý năng lượng liên quan đến việc điều chỉnh, phân bổ và sử dụng điện năng hiệu quả bên trong xe. Để đáp ứng nhu cầu của một số hệ thống con, bao gồm bộ điều khiển động cơ, giải trí, chiếu sáng và hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS), điều này đòi hỏi phải kiểm soát việc sản xuất, chuyển đổi và tiêu thụ năng lượng điện. Tầm quan trọng của quản lý điện năng nằm ở:

• Đảm bảo độ tin cậy: Quản lý năng lượng đảm bảo rằng tất cả các hệ thống điện tử đều nhận được năng lượng ổn định và không bị gián đoạn, điều này rất quan trọng đối với sự an toàn và hoạt động.
• Hiệu quả năng lượng: Bằng cách tối đa hóa việc sử dụng năng lượng, nó nâng cao hiệu quả năng lượng bằng cách giảm lượng khí thải, cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu và tăng phạm vi hoạt động của xe điện (EV).
• Hỗ trợ các tính năng nâng cao: Quản lý năng lượng trở nên thiết yếu trong việc quản lý các yêu cầu về năng lượng của nhiều hệ thống mà không làm quá tải cấu trúc điện của xe khi bổ sung thêm các tính năng và thiết bị điện tử tinh vi hơn.

Quan điểm lịch sử về quản lý năng lượng ô tô

Trong thế kỷ qua, đã có sự phát triển đáng kể về khái niệm quản lý năng lượng trong các ứng dụng ô tô. Sau đây là tổng quan nhanh về cách thức phát triển của khái niệm này:

• Thời kỳ đầu: Kỹ thuật ô tô ban đầu chủ yếu tập trung vào các loại xe cơ khí với ít nhu cầu về điện. Phân phối điện cơ bản trở nên cần thiết với sự phát triển của hệ thống đánh lửa và chiếu sáng bằng điện.
• Giới thiệu về máy phát điện xoay chiều: Máy phát điện một chiều đã được thay thế bằng máy phát điện xoay chiều vào giữa thế kỷ 20, cho phép các hệ thống điện tinh vi hơn và chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn.
• Sự ra đời của các đơn vị điều khiển điện tử (ECU): Một hệ thống quản lý năng lượng ngày càng phức tạp là cần thiết để xử lý các hệ thống điều khiển và cảm biến phức tạp do sự phát triển của các bộ vi điều khiển và ECU vào nửa cuối thế kỷ 20.
• Xe hybrid và xe điện: Sự ra đời của xe điện và xe hybrid dẫn đến nhu cầu về các hệ thống quản lý năng lượng tinh vi để điều chỉnh dòng năng lượng giữa pin, động cơ và các hệ thống phụ khác của xe.
• Xe kết nối và tự hành: Sự phức tạp của việc quản lý năng lượng đã tăng lên do những phát triển gần đây trong các công nghệ lái xe kết nối và tự hành, đòi hỏi các hệ thống tinh vi có thể điều chỉnh theo các hoàn cảnh vận hành thay đổi.

Chủ đề quản lý năng lượng ô tô liên tục phát triển, phản ánh sự tiến bộ kỹ thuật của ô tô. Quản lý năng lượng đã phát triển từ việc phân phối năng lượng cơ bản cho hệ thống chiếu sáng trong những chiếc ô tô đầu tiên thành quản lý năng lượng tinh vi trong các phương tiện được kết nối mạng và điện khí hóa cao ngày nay. Quản lý năng lượng hiện là một lĩnh vực đa chiều hỗ trợ chức năng, hiệu quả và độ tin cậy của các hệ thống ô tô hiện đại.

Nguyên tắc cơ bản về năng lượng điện trong xe

Quản lý năng lượng ô tô là một lĩnh vực đòi hỏi sự hiểu biết cơ bản về dòng năng lượng điện trong xe. Phần này xem xét các nguồn điện cũng như nhu cầu năng động do các tải điện khác nhau trong xe ô tô hiện đại mang lại.

Nguồn năng lượng điện trong xe

Trên ô tô có nhiều loại nguồn năng lượng điện, mỗi nguồn có chức năng và nhu cầu riêng biệt.

• Máy phát điện chạy bằng động cơ đốt trong (ICE): Hầu hết các xe chạy bằng xăng hoặc dầu diesel đều tạo ra điện bằng máy phát điện dẫn động bằng dây đai gắn vào động cơ. Khi động cơ hoạt động, nhiệm vụ của máy phát điện là sạc ắc quy và cung cấp điện cho các hệ thống phụ khác của xe.
• Ắc quy: Khi động cơ tắt hoặc máy phát điện không tạo ra đủ năng lượng, ắc quy của xe sẽ cung cấp năng lượng cần thiết để khởi động động cơ và vận hành hệ thống điện.
• Hệ thống phanh tái tạo: Hệ thống phanh tái tạo trong xe hybrid và xe điện lưu trữ động năng trong pin để sử dụng sau này bằng cách chuyển đổi nó trở lại thành năng lượng điện khi xe phanh.
• Pin nhiên liệu: Hydro và oxy kết hợp hóa học để tạo ra năng lượng trong ô tô pin nhiên liệu. Động cơ điện và các hệ thống phụ khác của xe được cung cấp năng lượng bằng phương pháp này.
• Tấm pin mặt trời: Để tăng nguồn cung cấp điện, đặc biệt là cho các phụ kiện như điều hòa không khí hoặc hệ thống giải trí, một số ô tô hiện đại được trang bị tấm pin mặt trời.
• Sạc bên ngoài: Thông qua các trạm sạc, xe plug-in hybrid và ô tô chạy hoàn toàn bằng điện có thể lấy điện từ mạng điện bên ngoài.

Yêu cầu về tải điện trong xe hiện đại

Toàn bộ lượng điện mà tất cả các hệ thống và thành phần điện trong xe hơi yêu cầu được gọi là tải điện. Với việc bổ sung các công nghệ phức tạp, tải điện của một chiếc xe hơi hiện đại đã tăng lên đáng kể, đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện hơn đối với việc quản lý điện năng. Hệ thống pin điện áp thấp trong xe hơi hiện đại có thể cung cấp dòng điện tối đa 400A đến 800A để đáp ứng các tình huống nhu cầu tải đỉnh (peak load). Một số ví dụ về mức tiêu thụ dòng điện của các thành phần hệ thống điện áp thấp, công suất cao trong các xe hơi hiện đại được đưa vào danh sách dưới đây:

• Trợ lực lái: 5A đến 15A
• Đèn chiếu sáng bên ngoài: 10A đến 30A
• Điều hòa không khí (HVAC): 10A đến 20A
• Cửa sổ, ghế chỉnh điện: 20A đến 30A
• Hệ thống đánh lửa: 5A đến 15A
• Hệ thống âm thanh: 10A đến 20A
• Động cơ khởi động: 50A đến 150A

Dòng điện tải áp dụng cho ắc quy có thể lên tới hàng trăm ampe. Điện áp ắc quy xe thay đổi tùy theo điều kiện lái xe. Thông thường, tải cho hệ thống 12V phải tiếp tục hoạt động bình thường trong phạm vi điện áp cung cấp 9V–18V. Tiêu chí này cũng có nghĩa là hệ thống phân phối điện phải được xây dựng sao cho, trong điều kiện hoạt động thông thường, mỗi tải điện trong hệ thống có thể nhận được nguồn cung cấp liên tục ít nhất là 9 vôn.

Mục tiêu của quản lý năng lượng

Trong các hệ thống ô tô, quản lý năng lượng hiệu quả không chỉ đòi hỏi cung cấp năng lượng đến nơi cần thiết. Nó cần được cân bằng cẩn thận và phù hợp với một số mục tiêu quan trọng. Những mục tiêu này phản ánh nhiều nhu cầu mà ô tô hiện đại phải đáp ứng, bao gồm cả những nhu cầu liên quan đến hiệu suất, tính kinh tế, tính bền vững của môi trường và đổi mới công nghệ.

Đảm bảo cung cấp điện đáng tin cậy

Mục tiêu chính của việc quản lý điện năng trong hệ thống ô tô là cung cấp nguồn điện ổn định và đáng tin cậy cho mọi bộ phận của xe.

• Khởi động xe: Ngay cả trong thời tiết khắc nghiệt nhất, động cơ đốt trong vẫn phải được khởi động với đủ công suất. Dạng sóng khởi động nguội được khuyến nghị cho các hệ thống ô tô điện áp thấp có động cơ đốt trong được hiển thị trong hình ảnh sau. Trong thời tiết cực lạnh, khởi động làm tăng điện trở ở cả ắc quy và dây điện. Do đó, việc máy phát điện khởi động sử dụng dòng điện dẫn đến điện áp ắc quy giảm đáng kể, xuống mức thấp tới 3V, sau đó là dạng sóng dao động mô phỏng hiện tượng khởi động mà chúng ta cũng có thể nghe thấy từ bên dưới xe tại thời điểm đó.

• Cung cấp điện khi xe tắt máy: Một số hệ thống nhất định, chẳng hạn như hệ thống an ninh và một số hoạt động của bộ nhớ, cần nguồn điện liên tục ngay cả khi xe tắt máy. Khi ô tô không được sử dụng, mỗi tải sẽ có một lượng dòng điện tĩnh mà nó có thể lấy từ ắc quy. Lượng điện này, thường là 100uA cho mỗi tải, đảm bảo rằng khi xe không hoạt động trong thời gian dài, pin sẽ không hết quá nhanh.

• Nguồn điện khi động cơ tắt: Trong những chiếc xe có động cơ đốt trong, mọi thiết bị dùng đều phụ thuộc hoàn toàn vào ắc quy trong suốt quá trình vận hành khi động cơ tắt. Ắc quy sẽ hết điện nhanh chóng nếu không có máy phát điện. Để ngăn ắc quy cạn kiệt đến mức không đủ để khởi động động cơ đốt trong, những chiếc xe hiện đại có các tính năng tiết kiệm ắc quy.

• Quản lý công suất khi tải cao điểm và thấp điểm: Quản lý công suất tiên tiến đảm bảo rằng hệ thống kéo cung cấp công suất cần thiết trong thời gian cao điểm, chẳng hạn như tăng tốc. Ví dụ, trong xe HEV, động cơ đốt trong có thể bắt đầu hoạt động song song với e-Machine. Hệ thống quản lý phương tiện đảm bảo giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng trong thời gian phát điện thấp (chẳng hạn như chạy không tải khi có tín hiệu giao thông), ngoài các biện pháp khác, tắt động cơ đốt trong và vô hiệu hóa hoặc tắt các thiết bị tiêu thụ phụ trợ, chẳng hạn như máy sưởi và quạt làm mát.

Nâng cao hiệu quả nhiên liệu và giảm phát thải

Để đạt được mục tiêu chung hơn là tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm tác động đến môi trường, quản lý điện năng là điều cần thiết.

• Tối ưu hóa hoạt động của máy phát điện: Máy phát điện thông minh được sử dụng trong xe hơi hiện đại được điều khiển bởi ECU. Có thể giảm mức tiêu thụ nhiên liệu bằng cách kiểm soát hoạt động của máy phát điện theo nhu cầu thực tế để ngăn ngừa việc tạo ra năng lượng lãng phí.
• Phanh tái tạo: Phanh tái tạo giảm thiểu nhu cầu về xăng hoặc điện tích bên ngoài trong xe hybrid và xe điện bằng cách chuyển đổi năng lượng phanh thành điện năng được lưu trữ.
• Cắt tải: Bạn có thể tiết kiệm nhiên liệu bằng cách tắt tạm thời các hệ thống không cần thiết khi nhu cầu tải cao.

Kéo dài tuổi thọ Pin/ắc quy

Một mục tiêu quan trọng đối với ô tô điện, hybrid và ô tô thông thường là tăng tuổi thọ pin.

• Sạc tối ưu: Bằng cách tránh hao pin quá mức và sạc quá mức, việc sạc thông minh và có kiểm soát có thể giúp kéo dài tuổi thọ pin đáng kể.
• Cân bằng năng lượng: Duy trì sức khỏe của bộ pin bao gồm đảm bảo rằng các cell pin được sạc và xả đều nhau.
• Quản lý nhiệt: Để kéo dài tuổi thọ của pin, đặc biệt là ở ô tô điện, cần phải làm mát và sưởi ấm pin đúng cách. Pin công suất cao với hệ thống làm mát bằng chất lỏng là một giải pháp phổ biến.

Cung cấp các tính năng và thiết bị điện tử tiên tiến

Quản lý năng lượng ngày càng trở nên phức tạp do các thiết bị điện tử và tính năng mạnh mẽ có trong ô tô hiện đại.

• Cung cấp năng lượng cho Hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS): Để các hệ thống này hoạt động chính xác, có thể cần một nguồn điện lớn và ổn định.
• Quản lý hệ thống thông tin giải trí: Quản lý năng lượng đảm bảo rằng các hệ thống thông tin và giải trí chạy trơn tru mà không ảnh hưởng đến các hoạt động cần thiết của xe. Ví dụ: hệ thống có thể tắt các bộ phận của hệ thống giải trí để duy trì các hoạt động quan trọng này của ô tô nếu điện áp ắc quy xuống thấp đến mức nguy hiểm.
• Thích ứng với tùy chỉnh của người dùng: Xe hơi hiện đại có nhiều tính năng mà người tiêu dùng có thể thay đổi, chẳng hạn như hệ thống chiếu sáng và mức độ thoải mái, đòi hỏi các kỹ thuật quản lý năng lượng linh hoạt.

Không chỉ phân phối năng lượng điện, quản lý năng lượng trong các hệ thống ô tô còn hướng đến nhiều mục tiêu hơn thế nữa. Chúng cung cấp một chiến lược toàn diện nhằm cân bằng giữa tuổi thọ, hiệu quả, độ tin cậy và đổi mới công nghệ. Các chiến thuật được sử dụng để đạt được những mục tiêu này phải tính đến bản chất năng động và phức tạp của thiết kế và kỹ thuật ô tô đương đại, cũng như các hoàn cảnh liên tục thay đổi xung quanh môi trường xung quanh và phong cách vận hành của xe.

Chiến lược quản lý năng lượng

Sử dụng các giải pháp sáng tạo là cần thiết cho lĩnh vực quản lý năng lượng ô tô phức tạp để kết hợp các hệ thống và chức năng khác nhau với hiệu quả, độ tin cậy và hiệu suất. Các chiến thuật này là một thành phần của một kế hoạch toàn diện nhằm tối đa hóa luồng năng lượng và việc sử dụng của xe thay vì các phương pháp độc lập. Các phần tiếp theo sẽ khám phá một số khái niệm cơ bản đóng vai trò là cơ sở cho các hệ thống quản lý năng lượng xe hiện đại.

Quản lý tải và cắt tải

Trong khi cắt tải là việc vô hiệu hóa có chủ đích các dịch vụ không cần thiết để tiết kiệm điện và thực hiện quản lý tải, thì quản lý tải đòi hỏi phải chuyển đổi nguồn điện một cách linh hoạt để đáp ứng nhu cầu của nhiều hệ thống khác nhau trong xe.

• Ưu tiên các hệ thống: Nguồn điện có thể được phân bổ ở những nơi cần thiết nhất bằng cách ưu tiên các hệ thống quan trọng về an toàn và các hệ thống khác dựa trên mức độ phù hợp tương đối của chúng.
• Giám sát và kiểm soát: Hệ thống điện của xe được giám sát liên tục, cho phép sửa đổi theo thời gian thực để đáp ứng nhu cầu của các hệ thống con khác nhau.
• Cắt tải trong các tình huống quan trọng: Có thể tạm thời vô hiệu hóa các hệ thống không cần thiết trong thời điểm nhu cầu điện cao hoặc nguồn cung thấp để đảm bảo các hoạt động quan trọng có đủ điện. Ví dụ, trong trường hợp hệ thống pin bị hỏng, ban đầu hệ thống sẽ bắt đầu giảm các tải phụ không cần thiết như máy sưởi ghế, quạt AC và hệ thống âm thanh để duy trì trạng thái sạc của pin lâu nhất có thể. Nguyên nhân là do máy phát điện không thể sạc pin, pin đã đạt đến điện áp thấp tới hạn.

Thu năng lượng và phanh tái tạo

Những chiến thuật này đòi hỏi phải thu giữ và sử dụng năng lượng mà nếu không thì sẽ bị lãng phí.

• Phanh tái tạo: Phanh tái tạo làm tăng hiệu suất tổng thể ở xe điện và xe hybrid bằng cách chuyển đổi động năng bị mất trong quá trình phanh thành năng lượng điện được lưu trữ trong pin. Hệ thống phanh tái tạo hiện đại có thể thu hồi tới 70% động năng của xe.
• Thu năng lượng nhiệt: Có một số ứng dụng để tận dụng nhiệt dư thừa do động cơ hoặc các bộ phận khác tạo ra. Ví dụ, việc làm nóng không khí trong cabin có thể giúp cắt giảm nhu cầu về máy sưởi hệ thống điều hòa. Máy phát nhiệt điện (TEG), có thể tạo ra điện từ nhiệt, là một ứng dụng khác. Ví dụ, BMW đã giới thiệu nhiều nguyên mẫu ứng dụng TEG vào năm 2011, tuy nhiên, vẫn còn vấn đề về sản xuất hàng loạt và giá thành của bộ phận này.
• Khai thác năng lượng mặt trời: Việc bổ sung các tấm pin mặt trời vào thiết kế của xe có thể cung cấp thêm nguồn năng lượng cho một số mục đích sử dụng nhất định, nhưng đây vẫn là một lựa chọn khó khăn vì các tấm pin mặt trời đắt tiền và chiếm nhiều diện tích trên xe.

Hệ thống sạc thông minh

Bằng cách kết hợp trí thông minh vào quy trình, các giải pháp sạc thông minh vượt xa các phương pháp sạc thông thường. Không giống như các trạm sạc “ngu ngốc” chỉ giới hạn giao tiếp với xe, bộ sạc thông minh cho phép chủ sở hữu trạm sạc tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng bằng cách theo dõi, quản lý và hạn chế việc sử dụng thiết bị của họ từ xa.

• Thuật toán sạc thích ứng: Hệ thống sạc có thể điều chỉnh để cung cấp chu kỳ sạc tốt nhất có thể bằng cách nhận biết trạng thái của pin, xu hướng sử dụng và các biến bên ngoài như nhiệt độ.
• Tích hợp Xe-Lưới điện (V2G): Bằng cách tương tác với lưới điện, xe điện có thể bổ sung năng lượng trong thời gian nhu cầu cao và sạc lại vào giờ thấp điểm. Xe phải có bộ sạc tích hợp hai chiều để tích hợp tính năng này.
• Chẩn đoán từ xa và trên xe: Bằng cách cung cấp dữ liệu toàn diện về tình trạng và hiệu suất của pin, các giải pháp sạc thông minh cho phép sử dụng hiệu quả hơn và bảo trì phòng ngừa.

Những chiếc xe hiện đại phức tạp và đòi hỏi cao, điều này được phản ánh trong sự tinh vi ngày càng tăng của các hệ thống quản lý năng lượng được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô. Các chiến thuật này cung cấp một chiến lược toàn diện có tính đến hiệu quả, độ tin cậy, các vấn đề về môi trường và bối cảnh công nghệ thay đổi nhanh chóng, thay vì chỉ là các giải pháp kỹ thuật. Các chiến lược này, bao gồm tích hợp thông minh các công nghệ sạc, thu giữ năng lượng thải một cách sáng tạo và phân bổ năng lượng thông minh thông qua quản lý tải, đại diện cho một lĩnh vực năng động của việc khám phá và đổi mới liên tục, mang đến những cơ hội thú vị để tiến xa hơn nữa trong ngành công nghiệp ô tô.