Mạng lưới phân phối điện trên ô tô

Giới thiệu về Phân phối Điện

Một trong những thành phần cơ bản của hệ thống ô tô, đảm bảo sự luân chuyển năng lượng điện hiệu quả bên trong xe, chính là hệ thống phân phối điện. Mạng lưới phân phối điện mạnh mẽ và hiệu quả càng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết do sự phát triển của xe điện và xe hybrid, cùng với các tính năng kỹ thuật ngày càng tinh vi của chúng. Phần giới thiệu này giải thích mục đích của việc phân phối điện trong quản lý năng lượng ô tô, cùng với những thách thức mà các hệ thống phân phối điện hiện đại phải đối mặt.

Vai Trò của Phân Phối Điện trong Quản Lý Năng Lượng Ô Tô

Có thể hình dung hệ thống phân phối điện như các thành phần điện của hệ tuần hoàn trên xe. Nó thực hiện một số nhiệm vụ quan trọng:

• Truyền tải năng lượng: Các mạng lưới phân phối điện vận chuyển điện năng từ ắc quy, máy phát điện xoay chiều, hoặc pin nhiên liệu đến các hệ thống con khác nhau, ví dụ như: bộ điều khiển động cơ, hệ thống chiếu sáng, hệ thống giải trí và các hệ thống an toàn.
• Điều chỉnh điện áp: Đảm bảo điện áp phù hợp đến đúng các bộ phận, có tính đến các điều kiện vận hành và yêu cầu tải khác nhau.
• Quản lý hiệu suất: Đây là quá trình tối ưu hóa dòng năng lượng để giảm thiểu tổn thất và nâng cao hiệu suất tổng thể của xe.
• Tích hợp với BMS: Trong xe điện và xe hybrid, Hệ thống Phân phối Điện (PDS) và Hệ thống Quản lý Pin (BMS) phải phối hợp chặt chẽ với nhau để điều khiển dòng điện đến và đi từ pin.
• Khả năng mở rộng: Khả năng thêm hoặc thay đổi các hệ thống con điện một cách nhanh chóng, cho phép linh hoạt đáp ứng các tính năng hoặc công nghệ mới.

Những Thách Thức trong Phân Phối Điện

Hệ thống phân phối điện trong ô tô hiện đại có một số thách thức do tính phức tạp của chúng:

• Tải phức tạp: Một bộ phận phân phối điện đơn lẻ thường được chế tạo để đáp ứng nhu cầu của nhiều hệ thống với các yêu cầu điện áp và dòng điện khác nhau, có thể thay đổi liên tục tùy thuộc vào điều kiện vận hành.
• Hạn chế về trọng lượng và không gian: Nhu cầu về số lượng lớn dây điện và linh kiện có thể làm tăng trọng lượng xe và chiếm nhiều không gian.
• Độ tin cậy: Việc duy trì nguồn điện ổn định ngay cả khi đối mặt với các yếu tố môi trường như độ ẩm, thay đổi nhiệt độ và rung động là rất quan trọng.
• Nhiễu điện từ (EMI): Kiểm soát nhiễu điện từ (EMI) là cần thiết để tránh sự can nhiễu giữa các hệ thống điện khác nhau. Đặc biệt là ở các bộ phận của hệ thống phân phối điện như bộ sạc trên xe (on-board charger) và bộ chuyển đổi DC-DC, những bộ phận này tạo ra rất nhiều nhiễu khi đóng cắt dòng điện hàng trăm ampe.
• Tuân thủ tiêu chuẩn: Tuân thủ một số yêu cầu về an toàn và quy định, đặc biệt là các yêu cầu liên quan đến hệ thống điện cao áp trong xe điện, bao gồm cả tiêu chuẩn IEC 60071.
• Vấn đề chi phí: Việc tạo ra một PDS (Hệ thống phân phối điện) đáng tin cậy, hiệu quả với chi phí hợp lý là một thách thức kỹ thuật không bao giờ kết thúc.

Trong các hệ thống ô tô hiện đại, phân phối điện là yếu tố cần thiết để truyền tải năng lượng điện một cách tin cậy và hiệu quả đến nhiều bộ phận khác nhau của xe. Việc triển khai hệ truyền động điện và hybrid, sự phức tạp ngày càng tăng của hệ thống điện tử trên xe, và nhu cầu về độ tin cậy và tính kinh tế cao hơn đã làm tăng thêm các lớp phức tạp cho việc lập kế hoạch và vận hành mạng lưới phân phối điện.

Để vượt qua những trở ngại này, các kỹ sư phải có hiểu biết thấu đáo về khoa học vật liệu, các nguyên tắc kỹ thuật điện và các thông số kỹ thuật thiết kế ô tô. Tầm quan trọng của thành phần thiết yếu này trong kỹ thuật ô tô sẽ được nhấn mạnh bởi sự gia tăng dự kiến về đổi mới và tinh vi trong lĩnh vực phân phối điện trên xe khi công nghệ phát triển.

Cấu trúc của Hệ thống Phân phối Điện

Thiết kế của hệ thống phân phối điện đóng một vai trò quan trọng trong quản lý năng lượng ô tô vì nó quyết định cách năng lượng điện được phân phối đến các bộ phận và hệ thống con khác nhau bên trong xe. Để đáp ứng các nhu cầu đa dạng và thường phức tạp của hệ thống ô tô hiện đại, cấu trúc phải mạnh mẽ, linh hoạt và có khả năng thích ứng. Phần này xem xét các loại hình cấu trúc phân phối điện chính và các bộ phận cấu thành của chúng.

Phân phối Điện Tập trung, Phân tán và Lai (Hybrid)

Phân phối Điện Tập trung

Trong phân phối điện tập trung, việc cung cấp điện năng cho các hệ thống con khác nhau được quản lý bởi một điểm hoặc một bộ điều khiển trung tâm duy nhất. Phương pháp này làm giảm số lượng các điểm có thể xảy ra sự cố và đơn giản hóa thiết kế.

• Ưu điểm: Ít phức tạp hơn, dễ xây dựng hơn và ít dây dẫn hơn.
• Nhược điểm: Khả năng điều chỉnh theo các yêu cầu thay đổi kém hơn; một lỗi duy nhất có thể ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống.
• Ví dụ: Việc sử dụng một hộp cầu chì trung tâm là một minh họa nổi tiếng về phân phối điện tập trung trong các hệ thống xe hơi trước đây. Ở đây, chỉ một trung tâm duy nhất cung cấp điện cho mọi bộ phận điện trong xe. Thông thường, bạn sẽ nối dây trực tiếp một thiết bị phụ trợ vào hộp cầu chì trung tâm này nếu bạn muốn thêm một thiết bị (chẳng hạn như một cặp đèn pha bổ sung hoặc một hệ thống âm thanh nâng cấp).

Phân phối Điện Phân tán

Nhiều điểm hoặc bộ phận phân phối được phân tán trên khắp xe trong hệ thống phân phối điện phân tán, giúp phân cấp việc kiểm soát. Điều này có thể tăng cường độ tin cậy và tính linh hoạt.

• Ưu điểm: Tăng cường khả năng cách ly lỗi, tăng khả năng mở rộng và nâng cao tính linh hoạt để đáp ứng các yêu cầu tải khác nhau.
• Nhược điểm: Khó bảo trì và thiết kế hơn, và có thể tăng trọng lượng do thêm nhiều linh kiện.
• Ví dụ: Để cải thiện độ an toàn của hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS), ô tô hiện đại thường sử dụng chiến lược phân phối điện phân tán. Ví dụ, một thiết kế phân vùng (zone design) sẽ phân phối các hộp phân phối điện sao cho mỗi vùng có một bộ phân phối điện riêng để cấp nguồn cho các mô-đun trong từng vùng. Việc kiểm soát hệ thống phân phối điện tốt hơn có thể thực hiện được nhờ các công tắc bán dẫn được sử dụng trong các bộ phân phối điện thông minh thay vì rơ le và cầu chì.

Phân phối Điện Lai (Hybrid)

Phân phối điện lai kết hợp các khía cạnh của hệ thống phân tán và tập trung. Sự kết hợp này thường nhằm mục đích giảm thiểu những nhược điểm của từng hệ thống trong khi tối đa hóa lợi ích của chúng.

• Ưu điểm: Khả năng thích ứng được cá nhân hóa, hài hòa giữa độ tin cậy và độ phức tạp.
• Nhược điểm: Có thể khó tối ưu hóa.
• Ví dụ: Nhiều xe điện (EV) hiện đại sử dụng phương pháp phân phối điện lai. Pin cao áp chính có thể cung cấp điện tập trung cho hệ thống truyền động chính và các hệ thống cốt lõi của xe; tuy nhiên, các hộp đấu dây (junction box) bán dẫn thông minh phân tán có thể được tích hợp để quản lý các tính năng như điều khiển cửa sổ, sưởi ghế và đèn chiếu sáng trong cabin. Điều này mang lại sự linh hoạt cho các hoạt động bổ sung và các bản cập nhật tiềm năng trong tương lai, cũng như sử dụng hiệu quả pin chính.

Cầu chì, Rơ le, Công tắc tơ và Linh kiện Bán dẫn trong Phân phối Điện

Cầu chì

Để ngăn ngừa hư hỏng cho các bộ phận khác, cầu chì đóng vai trò là thiết bị an toàn ngắt mạch nếu dòng điện vượt quá giới hạn nhất định.

• Các loại: Bao gồm cầu chì tự phục hồi (resettable), cầu chì EV, cầu chì ống (cartridge) và cầu chì lá (blade).
• Ứng dụng: Bảo vệ quá dòng trong các mạch khác nhau.

Bên trong hộp cầu chì là các cầu chì lá, cầu chì ống và cầu chì EV để bảo vệ các đầu nối và bó dây điện (harness) của xe không bị quá nhiệt trong trường hợp đoản mạch. Dây cáp và các đầu nối mà cầu chì được thiết kế để bảo vệ phải có định mức dòng điện phù hợp với định mức dòng điện duy trì (hold current) của cầu chì đã chọn.

Trên bảng mạch của các ECU, cầu chì tự phục hồi, hoặc thường được gọi là PTC, bảo vệ chống quá dòng ở đầu vào và đầu ra của mạch.

Rơ le

Rơ le là các công tắc được điều khiển bằng điện, cách ly miền điện áp cao và điện áp thấp hoặc cho phép điều khiển mạch công suất cao bằng tín hiệu công suất thấp.

• Các loại: Bao gồm rơ le lưỡi gà (reed relay) và rơ le cơ điện.
• Ứng dụng: Bao gồm cửa sổ điện, cửa sổ trời, kích hoạt bơm nhiên liệu, điều khiển đèn pha và các mô-đun điều khiển động cơ.

Một cuộn dây điện từ được sử dụng trong rơ le cơ điện có thể được sử dụng để đóng/ngắt (switch) tiếp điểm phần ứng (armature contactor) bằng cách di chuyển nó từ vị trí này sang vị trí khác.

Trong một ống thủy tinh, rơ le lưỡi gà bao gồm các vật liệu tiếp xúc từ tính sẽ tiếp xúc với từ trường. Khi nói đến cảm biến vị trí trong ô tô, đặc biệt là cho các tính năng tiện nghi, chúng là một lựa chọn hợp lý.

Rơ le lưỡi gà có các vật liệu tiếp xúc từ tính trong một ống thủy tinh, khi chịu tác động của từ trường, chúng sẽ tiếp xúc với nhau. Chúng là một giải pháp rẻ tiền khi ứng dụng vào cảm biến vị trí trong xe, chủ yếu trong các chức năng tiện nghi.

Công tắc tơ (Contactor)

Trong xe điện, công tắc tơ, rơ le đặc biệt được chế tạo để điều khiển tải dòng điện lớn, thường được sử dụng để kiểm soát kết nối giữa ắc quy, máy điện (e-machine) và lưới sạc. Công tắc tơ thường có khả năng đóng cắt và ngắt dòng điện hàng ngàn ampe.

• Các loại: Công tắc tơ DC, công tắc tơ AC.
• Ứng dụng: Quản lý pin công suất cao, điều khiển động cơ.

Công tắc Bán dẫn

So với rơ le, có thời gian đóng cắt tính bằng hàng chục mili giây, công tắc bán dẫn, chẳng hạn như MOSFET và IGBT, cho phép quản lý năng lượng điện chính xác và hiệu quả, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi đóng cắt tốc độ cao. Linh kiện bán dẫn có thể đóng cắt trong nano giây.

• Các loại: MOSFET, IGBT, Triac.
• Ứng dụng: Bao gồm bộ chuyển đổi DC-DC, e-PDU (bộ phân phối điện tử), bộ sạc trên xe (onboard charger) và bộ truyền động động cơ điện.

Cấu trúc phân phối điện trong hệ thống ô tô là một lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi phải xem xét cẩn thận các yếu tố thiết kế bao gồm độ phức tạp, khả năng mở rộng, hiệu suất và độ tin cậy. Cách thức hoạt động của hệ thống điện trên xe và điều chỉnh theo các tình huống vận hành khác nhau được xác định bởi việc lựa chọn các thiết kế tập trung, phân tán và lai, cũng như việc lựa chọn và sử dụng cẩn thận các bộ phận như cầu chì, rơ le, công tắc tơ và thiết bị bán dẫn.

Các kỹ sư ô tô có thể thiết kế các hệ thống phân phối điện đáp ứng các thông số kỹ thuật khắt khe của ô tô hiện đại bằng cách nắm bắt những ý tưởng cơ bản này. Điều này sẽ đảm bảo hoạt động trơn tru trên nhiều tính năng khác nhau và cải thiện trải nghiệm lái xe tổng thể.

Mô-đun Phân phối Điện (PDM)

Mô-đun Phân phối Điện (PDM) là một phần thiết yếu của hệ thống điện trên ô tô ngày nay. Bên trong cơ sở hạ tầng ô tô, các thiết bị này giám sát việc phân phối và quản lý năng lượng điện đến các hệ thống con khác nhau. Phần này sẽ giải thích các chức năng và đặc điểm cơ bản của PDM, cũng như cách chúng tích hợp vào các hệ thống ô tô.

Vai trò và Tính năng của PDM

Vai trò của PDM

PDM chịu trách nhiệm lấy điện từ nguồn (chẳng hạn như ắc quy) và phân bổ nó cho nhiều tải khác nhau được tìm thấy trong xe, bao gồm hệ thống thông tin giải trí, đèn, cảm biến và cơ cấu chấp hành. Chúng hỗ trợ trong việc:

• Phân phối điện: Chuyển điện năng đến nhiều tải khác nhau với các yêu cầu điện áp và dòng điện khác nhau một cách hiệu quả.
• Bảo vệ hệ thống: Đặt các biện pháp an toàn tại chỗ để bảo vệ hệ thống, chẳng hạn như bảo vệ ngắn mạch, quá dòng và quá áp.
• Hỗ trợ chẩn đoán: Cung cấp thông tin về hiệu suất hệ thống và các tình trạng lỗi để hỗ trợ chẩn đoán.

Tính năng của PDM

Một số đặc điểm quan trọng cải thiện chức năng và thiết kế của PDM, bao gồm:

• Khả năng mở rộng: Khả năng điều chỉnh theo các thiết lập và kích thước hệ thống khác nhau.
• Tính linh hoạt: Cho phép các loại tải và mức điện áp khác nhau.
• Khả năng chịu lỗi: Cô lập các lỗi để ngăn chặn sự cố toàn hệ thống được gọi là khả năng chịu lỗi.
• Hiệu quả năng lượng: Đây là quá trình giảm thiểu tổn thất và tối đa hóa việc sử dụng điện.
• Khả năng giao tiếp: Kết nối với các hệ thống khác của xe để cung cấp khả năng giám sát và điều khiển đồng bộ.
• Thiết kế nhỏ gọn: Chiếm ít không gian nhất có thể, đặc biệt là trong không gian chật hẹp của ô tô.

Tích hợp PDM trong Hệ thống Ô tô

Các loại PDM

Chúng ta chỉ tìm thấy các PDM hạ áp trong ô tô có động cơ đốt trong truyền thống. Cầu chì, rơ le và đi-ốt chỉnh lưu ở cấp độ xe (vehicle level), đảm bảo phân phối điện phù hợp đến các bộ phận của hệ thống hạ áp, đều nằm trong các hộp cầu chì này. Người lái xe có thể tiếp cận các hộp cầu chì để bảo dưỡng.

Các mô-đun phân phối điện trong xe EV và HEV có hệ thống điện cao áp không được thiết kế để người lái tiếp cận. Ví dụ, mô-đun trong các mẫu xe Tesla khá khó tiếp cận vì nó được giấu bên dưới máy điện (e-machine). Cầu chì EV và các thiết bị điện tử thông minh giám sát dòng điện cao áp đến các tải tiêu thụ (customer) được tìm thấy trong các mô-đun phân phối điện cao áp.

Vị trí và Kết nối: Việc tích hợp PDM trong hệ thống ô tô đòi hỏi phải xem xét một số khía cạnh, bao gồm khả năng tương thích điện từ, khả năng tiếp cận, kiểm soát nhiệt độ và phân bố trọng lượng. Để giảm thiểu tổn thất và nhiễu, các kết nối giữa nguồn điện và tải cần được bố trí hợp lý.

Giao diện với Hệ thống Điều khiển: PDM thường giao tiếp với các bộ điều khiển khác, chẳng hạn như Hệ thống Quản lý Pin (BMS) và Bộ Điều khiển Động cơ (ECU). Để tạo điều kiện cho hoạt động phối hợp, sự tương tác này cần các giao thức truyền thông đáng tin cậy và truyền dữ liệu thời gian thực.

Hệ thống điện ô tô phụ thuộc rất nhiều vào Mô-đun Phân phối Điện (PDM), chúng tạo ra sự cân bằng giữa độ phức tạp, hiệu quả, an toàn và khả năng thích ứng. Cùng với một loạt các đặc tính, chức năng phức tạp của chúng trong phân phối và quản lý điện cho phép chúng đáp ứng các nhu cầu phức tạp của ô tô hiện đại.

Các kỹ sư ô tô có thể đóng góp vào hiệu suất, độ tin cậy và an toàn tổng thể của xe bằng cách thiết kế và triển khai các PDM có khả năng phục hồi và sáng tạo bằng cách hiểu các khái niệm được trình bày ở đây.

Dây điện và Đầu nối Điện

Thiết kế và thi công hệ thống dây điện và đầu nối điện là những thành phần quan trọng của hệ thống phân phối điện ô tô hiện đại. Chúng liên kết các bộ phận khác nhau của xe và hoạt động như các kênh truyền tải năng lượng. Sự phức tạp của thiết kế bó dây điện (wire harness), các loại đầu nối và các vấn đề liên quan đến điện áp nguy hiểm trong hệ thống ô tô sẽ được trình bày trong phần này.

Các Yếu tố cần xem xét trong Thiết kế Bó dây điện (Wiring Harness)

Các bó dây và đầu nối được gọi là bó dây điện (wiring harness) giúp cho việc truyền tải điện và thông tin điện trong xe trở nên dễ dàng hơn. Các yếu tố quan trọng trong thiết kế của chúng như sau:

• Định tuyến (Routing): Sắp xếp đường đi vật lý của hệ thống dây điện để giảm thiểu sự can thiệp với các bộ phận và hệ thống khác.
• Bảo vệ: Sử dụng vật liệu cách điện và vỏ bọc (shielding) để bảo vệ khỏi các yếu tố bên ngoài bao gồm nhiệt, độ ẩm và mài mòn.
• Trọng lượng và Kích thước: Thiết kế bó dây có tính đến các hạn chế về không gian và trọng lượng.
• Khả năng tiếp cận: Đảm bảo rằng các mối nối và đầu nối quan trọng có thể tiếp cận được để bảo trì và kiểm tra.
• Tiêu chuẩn hóa và Khả năng tương thích: Tuân thủ các hướng dẫn của ngành để đảm bảo rằng các bộ phận khác nhau hoạt động cùng nhau.
• Dự phòng (Redundancy): Thêm các đường dẫn dự phòng cho các hoạt động quan trọng để cải thiện độ tin cậy.

Các loại Đầu nối và Ứng dụng của chúng

Các đầu nối chuyên dụng được gọi là đầu nối (connector) cho phép nối và ngắt các mạch điện. Có một số loại đầu nối được sử dụng trong hệ thống ô tô:

• Đầu nối dây (Terminal Connectors): Chúng thường được sử dụng trong phân phối điện vì chúng cung cấp các kết nối mạnh mẽ để truyền dòng điện cao giữa dây điện và các đầu cực (terminal) hoặc thanh cái (bus-bar).
• Đầu nối Board-to-Board: Các đầu nối này, cho phép kết nối giữa nhiều PCB (bảng mạch in), thường thấy trong các bộ điều khiển.
• Đầu nối Chống chịu Thời tiết (Weatherproof Connectors): Được sử dụng trong các ứng dụng ngoài trời, chẳng hạn như cho các bộ phận dưới mui xe, các đầu nối này được chế tạo đặc biệt để chịu được sự tiếp xúc với các yếu tố thời tiết. Mức độ bảo vệ của các đầu nối này thường được chứng nhận ở IP68 hoặc IP69, tùy thuộc vào vị trí chúng được lắp đặt bên trong xe. Các bộ phận nằm bên dưới động cơ có thể bị ngâm trong nước và rửa bằng vòi phun nóng trong suốt thời gian sử dụng; do đó, các đầu nối này cần được xếp hạng bảo vệ cho cả IP68 và IP69.
• Đầu nối phía người dùng (Customer Connectors): Khách hàng có thể truy cập một số cổng trong buồng lái, bao gồm cổng USB và ổ cắm dạng tẩu châm thuốc lá (cigar lighter).

Để có hiệu suất và độ tin cậy tối ưu, phải chọn đúng đầu nối, có tính đến các khía cạnh như khả năng chống chịu môi trường, mức điện áp, định mức dòng điện và sự đơn giản trong việc kết nối/ngắt kết nối.

Các Vấn đề về Điện áp Nguy hiểm

Sự phổ biến của xe hybrid và xe điện đã khiến việc quản lý hệ thống điện cao áp trở nên quan trọng. Một số yếu tố cần được xem xét:

• Lựa chọn Vật liệu Cách điện cho Cáp: Vật liệu cách điện chuyên dụng có thể chịu được điện áp cao mà không bị hỏng là cần thiết cho cáp cao áp để bảo vệ hệ thống và nhân viên bảo dưỡng. Các tiêu chuẩn cách điện như ISO 6469 – Phương tiện giao thông đường bộ chạy bằng điện — Đặc tính an toàn được sử dụng song song với các yêu cầu này.
• Yêu cầu về Màu sắc Cáp: Các đường dây cao áp thường được phân biệt với các loại cáp khác bằng màu cam. Dấu hiệu nhận biết bằng mắt này đảm bảo việc xử lý và kết nối chính xác.
• Yêu cầu về Khoảng cách Chân cắm của Đầu nối: Khoảng cách giữa các chân cắm của đầu nối trong các ứng dụng điện áp cao cần phải đủ lớn để tránh phóng hồ quang. Khoảng cách tối thiểu phải được giữ được xác định bởi các tiêu chuẩn và quy định.
• Khả năng Tiếp cận các Bộ phận Điện áp Nguy hiểm trong Xe: Vì lý do an toàn, điều cần thiết là phải đảm bảo rằng các bộ phận điện áp cao được chứa hoặc bảo vệ và chỉ có thể được tiếp cận bằng các thiết bị hoặc chìa khóa cụ thể. Thông thường, các biển báo cảnh báo và nhãn mác rõ ràng được sử dụng. Mạch HVIL (High Voltage Interlock Loop – Vòng Khóa Liên động Điện áp Cao) phải được tất cả các bộ phận cao áp thực hiện. Hệ thống dây điện trong mạch này chạy giữa các mô-đun. Thiết kế đảm bảo rằng vòng lặp HVIL bị ngắt kết nối nếu cáp điện áp cao bị rút phích cắm hoặc bộ phận điện áp cao bị mở. Hệ thống quản lý pin phát hiện sự ngắt kết nối này và loại bỏ nguy cơ mất an toàn bằng cách cắt các công tắc tơ của pin cao áp.

Thiết kế và lựa chọn hệ thống dây điện và đầu nối điện trong hệ thống ô tô là những quá trình phức tạp đòi hỏi phải lập kế hoạch cẩn thận và kiến thức về một số yếu tố kỹ thuật, môi trường và an toàn. Các kỹ sư có thể xây dựng các đường dẫn phân phối điện đáng tin cậy và hiệu quả, đáp ứng nhiều yêu cầu của ô tô hiện đại bằng cách tuân thủ các tiêu chuẩn ngành, luật an toàn và các nguyên tắc thiết kế tốt. Các vấn đề về điện áp nguy hiểm đòi hỏi sự chú ý đặc biệt, bằng chứng là môi trường công nghệ ô tô đang thay đổi và sự phổ biến ngày càng tăng của xe điện và xe hybrid.

Cơ chế An toàn (Fail-Safe) trong Phân phối Điện

Để đảm bảo an toàn, độ tin cậy và tính liên tục của hệ thống ô tô, các cơ chế an toàn (fail-safe) phải được tích hợp vào cấu trúc phân phối điện. Các hệ thống này duy trì các hoạt động cần thiết ngay cả trong những trường hợp khó khăn bằng cách xác định và cách ly các sự cố. Chúng ta sẽ xem xét các khía cạnh quan trọng này của hệ thống phân phối điện trên ô tô dưới đây.

Phát hiện và Cách ly Lỗi

Để đảm bảo hoạt động an toàn và liên tục của xe, các vấn đề phải được xác định sớm và cách ly. Đây là cách để thực hiện điều này:

Phát hiện lỗi

• Cảm biến: Hệ thống được trang bị một số cảm biến để theo dõi các biến số bao gồm điện áp, dòng điện và nhiệt độ. Bất kỳ sự sai lệch nào so với hoạt động bình thường sẽ kích hoạt báo động.
• Công cụ Chẩn đoán: Các thuật toán chẩn đoán tinh vi liên tục theo dõi hiệu suất hệ thống để tìm ra những điểm bất thường hoặc không đều có thể chỉ ra một vấn đề tiềm ẩn.
• Bộ phận Tự Giám sát: Rất nhiều bộ phận hiện đại đi kèm với các tính năng tự giám sát tích hợp cho phép chúng tự xác định và báo cáo sự cố. Ví dụ, trong hệ thống xe điện, mạch đóng cắt công suất cao được tìm thấy trong cả bộ chuyển đổi DC-DC và bộ nghịch lưu. Khi mạch này gặp trục trặc, chính mô-đun sẽ phát hiện ra và bắt đầu hành động thích hợp để đưa hệ thống vào chế độ an toàn. Ví dụ, nó mở một công tắc cách ly phụ để ngăn chặn đường dẫn dòng điện ngắn mạch của bộ phận công suất bị hỏng.

Cách ly lỗi

• Bộ ngắt mạch (Circuit Breaker) và Cầu chì: Các thiết bị này, được bố trí cẩn thận trong toàn bộ mạng lưới phân phối, sẽ ngắt bộ phận bị lỗi của hệ thống để ngăn chặn sự cố lan rộng.
• Thiết bị Chuyển mạch Bán dẫn (Solid-State Switching Devices): Chúng cung cấp khả năng điều khiển nhanh và chính xác, giúp có thể cách ly các lỗi mà không bị hao mòn cơ học.
• Máy biến áp Cách ly và Bộ ghép quang (Optocoupler): Bằng cách cung cấp cách ly điện giữa các bộ phận hệ thống khác nhau, các bộ phận này giúp ngăn chặn các lỗi lan rộng.

Các công nghệ và thiết bị này hoạt động cùng nhau để đảm bảo rằng các lỗi được phát hiện và cách ly với tác động ít nhất có thể đến toàn bộ hệ thống.

Duy trì các Chức năng Thiết yếu trong Điều kiện Lỗi

Điều cần thiết là phải giữ cho các hệ thống quan trọng của xe hoạt động ngay cả khi có phát hiện và cách ly lỗi. Điều này đòi hỏi sự lập kế hoạch và thiết kế cẩn thận:

• Dự phòng (Redundancy): Bằng cách tạo các mạch dự phòng hoặc mạch thứ cấp, người ta có thể đảm bảo rằng các hoạt động quan trọng vẫn tiếp tục ngay cả khi kênh chính bị lỗi.
• Ưu tiên Hệ thống: Khi xảy ra tình trạng lỗi, một hệ thống quản lý năng lượng được thiết kế tốt có thể ưu tiên các hệ thống quan trọng nhất, chẳng hạn như hệ thống an toàn, phanh và lái.
• Pin dự phòng: Nếu nguồn điện chính bị gián đoạn, trong một số trường hợp, hệ thống pin chuyên dụng có thể tạm thời cấp nguồn cho các bộ phận cần thiết.
• Giám sát Liên tục và Phản ứng Thích ứng: Bộ điều khiển thông minh liên tục theo dõi hệ thống và điều chỉnh theo các tình huống thay đổi bằng cách định tuyến lại điện khi cần thiết để duy trì hoạt động. Ví dụ, trong điều kiện vận hành thông thường, pin cao áp cung cấp phần lớn năng lượng cho các mô-đun cao áp trong xe điện (EV). Tuy nhiên, một số mô-đun này, như hệ thống quản lý pin cao áp, cũng có thể sử dụng pin hạ áp của xe để duy trì các hoạt động thiết yếu như điều khiển công tắc tơ và giao tiếp, có thể giúp hệ thống đạt đến trạng thái an toàn, nếu pin cao áp không khả dụng.

Hệ thống an toàn (fail-safe) phân phối điện là rất cần thiết cho hoạt động tin cậy và mạnh mẽ của ô tô hiện đại. Các kỹ sư xây dựng các hệ thống có thể chống chọi với các tình huống phức tạp và luôn thay đổi (dynamic) trên đường thông qua việc lập kế hoạch cẩn thận để duy trì các chức năng quan trọng và thiết kế tỉ mỉ bao gồm các kỹ thuật phát hiện và cách ly nâng cao. Sự phức tạp ngày càng tăng của ô tô sẽ tiếp tục thúc đẩy sự tiến bộ kỹ thuật của các hệ thống này, đặc biệt là trong bối cảnh lái xe điện và tự hành, vốn đặt ra nhu cầu ngày càng tăng đối với mạng lưới phân phối điện. Các ý tưởng trong phần này cung cấp một nền tảng vững chắc để hiểu và tạo ra các hệ thống điện ô tô mạnh mẽ, ưu tiên hiệu suất và an toàn.