Cùng với sự phát triển của kỹ thuật, chiếc xe ngày nay ngày một tiện nghi và hiện đại hơn, các hệ thống điện chiếm một phần lớn trong giá trị cả xe. Hệ thống điện và điện tử can thiệp vào gần như tất cả các hệ thống trên một chiếc xe, từ hệ thống đơn giản có từ lâu đời như khởi động, đánh lửa đến những hệ thống mới được nghiên cứu ứng dụng như phanh, treo, lái. Bài viết này sẽ giới thiệu cho các bạn các bước phát triển hệ thống dây điện trên ô tô từ trước đến nay.

1. Hệ thống cơ điện và hệ thống dây điện trên ô tô.

Những năm đầu của thế kỷ 20 bắt đầu có những chiếc xe ô tô với hệ thống điện sơ khai nhất. Hệ thống điện trang bị trên các xe này là phối hợp của hệ thống cơ khí và máy phát điện. Các hệ thống phối hợp giữa hoạt động hệ thống cơ khí và ứng dụng của động cơ. Các hệ thống điện có thể kể đến như máy phát điện, hệ thống chiếu sáng, bình acquy, máy khởi động, hệ thống đánh lửa.

Hình 1: Mạch điện đơn giản trên các xe cổ

Hình 2. Khoang động cơ Nissan 1971

2. Hệ thống cơ điện tử

Nhờ vào việc phát minh chất bán dẫn, và sự xuất hiện của vi điều khiển các hệ thống cơ điện tử được ứng dụng trên nhiều hệ thống khác nhau của ô tô. Các hệ thống cơ điện tử dần thay thế các hệ thống cơ điện và hệ thống thuần cơ khí. Có thể thấy IC bán dẫn kết hợp với chương trình điều khiển thay thế cho dạng điều khiển bằng cơ khí ở các hệ thống phun xăng và đánh lửa giúp điều khiển chính xác hơn lượng phun hay thời điểm đánh lửa. Các hệ thống khác như điều khiển ga không tải, điều chỉnh phun dầu… cũng được điện tử hóa làm thay đổi các kết cấu, công nghệ. Trong đó phát minh quan trọng trong công nghệ là mạch vi điều khiển chứa chương trình điều khiển tự động.

Hình 3. Cấu trúc ECU động cơ

Các hệ thống cơ điện tử được phát triển gồm ba hệ thống điều khiển chính: hệ thống điều khiển độc lập, hệ thống điều khiển kết hợp, hệ thống điều khiển tích hợp.

A. Hệ thống điều khiển độc lập

Hệ thống điều khiển này được áp dụng trên các hệ thống cơ điện tử thế hệ đầu. Có thể thấy rõ việc thay thế các hệ thống phun xăng điện tử thay cho các hệ thống chế hòa khí, phun dầu điện từ Common Rail thay thế cho phun dầu cơ khí, điều khiển cầm chừng tự động thay thế cho vít chỉnh cơ khí, hệ thống đánh lửa điện tử thay thế hệ thống đánh lửa cơ khí…

Hình 4. Khoang động cơ Toyota 1990 và mạch điện khoang động cơ gồm 5 vùng chính 1- ac1quy; 2- cầu chì, rơ le;3– công tắc; 4- tải chính; 5-chân điều khiển nối tới hộp điều khiển.

B. Hệ thống điều khiển kết hợp

Các hệ thống độc lập cùng bố trí trên ô tô có mối liên hệ với nhau như hệ thống động cơ và hệ thống phanh khi giảm tốc hoặc phanh cần thiết giảm ga tức thời đồng thời, hoặc khi phanh tải trọng tập trung lên cầu trước ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống treo. Hệ thống điều khiển kết hợp được phát triển dựa trên hai hay nhiều hệ thống điều khiển độc lập hoạt động song song sử dụng chung các thông tín để điều khiển. Có thể chia xu hướng ứng dụng các hệ thống cơ điện tử cũng như phối hợp điều khiển trên những ô tô hiện đại thành ba vùng chính:

• Động cơ, hệ thống truyền lực: công nghệ mới được áp dụng nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng động cơ như hệ thống phun xăng điện tử, hệ thống phối khí điện tử, hệ thống kiểm soát lực kéo, hệ thống kiểm soát khí xả, điều khiển cầm chừng. Các hệ thống này không những phát triển tối ưu mà còn phối hợp với nhau giúp kiểm soát hoạt động động cơ một cách hiệu quả.

• Điều khiển động lực học xe: hệ thống điều khiển động lực học xe là sự phối hợp của nhiều hệ thống. Các hệ thống này không những phát triển tối ưu mà còn phối hợp với nhau giúp kiểm soát động lực học toàn xe một cách hiệu quả. Các hệ thống như phanh, treo, lái ngày càng được hoàn thiện đáp ứng các yêu cầu sử dụng xe cũng như điều khiển xe.

• Thông tin, tiện nghi, giải trí: các hệ thông thông tin trên xe ngày càng hoàn thiện đồng thời điều khiển kết hợp giữa thông tin tín hiệu giao thông trên đường làm cho xe trở lên thông minh hơn.

Hình 5. Hệ thống lái có chức năng hỗ trợ lái  

C. Hệ thống điều khiển tích hợp và mạng CAN

Xu hướng ứng dụng các hệ thống cơ điện tử trên xe giúp đảm bảo an toàn chuyển động, tiên nghi, thân thiện với môi trườn. Đáp ứng các tiêu chuẩn ngày càng khắt khe và thị hiếu của người sử dụng. Đặc tính động học của xe khi chuyển động ở tốc độ cao; luôn được điều khiển bởi các tín hiệu được thực hiện qua thao tác điều khiển bướm ga (tăng tốc), điều khiển vành tay lái (đổi hướng) và điều khiển phanh (giảm tốc). Sự thay đổi ba tín hiệu điều khiển này; ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính động lực học của xe. Mối liên hệ giữa chúng có thể là tương hỗ hoặc xung đột. Ta có thể thấy khi sử dụng phanh tại các bánh xe; giúp ổn định động lực học theo phương dọc; hay khi phanh tải trọng thường có xu hướng dồn về cầu trước ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống treo. Do vậy các hệ thống này nếu hoạt động độc lập thì trạng lái chuyển động của xe không phải là tối ưu nhất. Thêm vào đó, hệ thống cơ điện tử trên xe càng phát triển thì số lượng cảm biến và bộ chấp hành cũng tăng dần. Việc sử dụng chung các tín hiệu cũng là một xu thế của hệ thống cơ điện tử hiện nay. Nói cách khác hệ thống điều khiển tích hợp là một trong những xu thế hệ thống cơ điện tử hiên nay.

Hình 6. Hệ thống điều khiển tích hợp trên xe

Hình 7. Hệ thống cơ điện tử trên các xe hiện đại

Do số lượng các cảm biến, hộp điều khiển các hệ thống ngày càng tăng dẫn đến cần mạng thông tin giao tiếp, quản lý dữ liệu thông tin giúp đồng bộ hóa các hoạt động trên ô tô. Mạng giao tiếp CAN (Control Area Network) được các nhà sản xuất đem vào sử dụng. Đây là mạng điều khiển cục bộ; truyền tải dữ liệu nối tiếp theo thời gian thực. Nó là một hệ thống thông tin phức hợp có tốc độ truyền rất cao và đặc biệt là khả năng phát hiện ra hư hỏng nhanh chóng. Hay hiểu đơn giản là từng chức năng trên ô tô được liên kết với các hộp, mỗi hộp sẽ có tín hiệu ra vào, liên kết giữa các hộp này là mạng cục bộ xử lý thông tin.

Hình 8. Liên kết các hộp điều khiển trên Land Rover Evoque 2012

Ô tô trang bị hệ thống điện sử dụng mạng CAN để chia sẽ thông tin giữa các hộp điều khiển . Giúp tiết kiệm số lượng dây dẫn; động bộ hóa các hoạt động của các hệ thống trên ô tô. Đặc điểm quan trọng của hệ thống này là ngoài hệ thống cơ điện tử thông thường mỗi hộp điều khiển còn bố trí thêm bộ phận truyền và mã hóa tín hiệu (các Node CAN). Gửi lên một đường truyền chung gồm 02 dây (CAN hight và CAN low) xoắn với nhau tạo thành 01 mạch vòng với hai đầu dây là hai điện trở 120 (ohm). Mỗi Node CAN chứa địa chỉ IP cụ thể; tín hiệu từ các cảm biến được mã hóa và gắn các địa chỉ IP. Gửi lên đường truyền chung giúp việc truyền và nhận tín hiệu.

Hình 9. Mạch truyền tín hiệu CAN cơ bản

Tùy theo yêu cầu về tốc độ đường truyền tín hiệu của các hệ thống; trên 01 xe có thể có nhiều chuẩn CAN được sử dụng. Các mạng Can phân thành nhiều nhánh khác nhau dựa trên số lượng các tín hiệu dung chung. Giữa các nhánh cũng có thể trao đổi thông tin thông quang 01 cổng chung.

 Hình 10. kết nối với mạng CAN trên các dòng xe audi

Hiện nay các dòng xe hiện đại thường sử dụng các đường truyền dữ liệu chính gồm; Đường truyền tín hiệu mạch điện khung xe, đường truyền tín hiệu truyền lực; đường truyền thông tin tín hiệu và chẩn đoán.

Hình 11. Các loại mạng CAN có tốc độ truyền tin khác nhau được sử trên cho các hệ thống khác nhau.

Ứng với mỗi đường truyền tốc độ truyền tin cũng theo các chuẩn khác nhau: PlexRay/CAN-FD, LIN/CAN, FlexRay.

Hình 12. Các chuẩn CAN sử dụng cho các dòng xe châu âu

Trong tương lai mạch điện trên xe sẽ được cải tiến theo xu hướng; gồm nhiều  các công truyền dẫn kết nối với nhau qua các Router/Swicth.

Nguồn: garatructuyen.com