Giáo trình Hệ thống điện điện tử ô tô - ThS. Trần Hoàng Luân - Trường CĐ GTVT

Tìm hiểu tổng quan về hệ thống điện điện tử ô tô hiện đại. Bài viết phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động và vai trò của các bộ phận như ECU, cảm biến và mạng

• Tác giả: ThS. Trần Hoàng Luân
• Trường học: Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Hệ thống điện điện tử ô tô
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống điện điện tử ô tô

Hệ thống điện điện tử ô tô là mạng lưới phức hợp bao gồm các mạch điện, thiết bị điện và bộ vi xử lý điều khiển hoạt động trên xe. Hệ thống đảm nhận nhiều chức năng quan trọng: khởi động động cơ, cung cấp điện năng, đánh lửa, chiếu sáng và điều khiển các hệ thống phụ trợ. Trong hai thập kỷ qua, công nghệ điện tử ô tô phát triển vượt bậc nhằm đáp ứng yêu cầu tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm khí thải độc hại. Hệ thống điện ô tô hiện đại bao gồm các thành phần chính: ắc quy, máy phát điện, máy khởi động, hệ thống đánh lửa, hệ thống điều khiển động cơ (ECU) và mạng điện phân phối. Mỗi thành phần hoạt động phối hợp nhịp nhàng để đảm bảo xe vận hành ổn định. Bộ vi xử lý đóng vai trò trung tâm trong việc giám sát và điều khiển các quá trình hoạt động, từ phun nhiên liệu đến kiểm soát khí thải.

1.1. Cấu trúc mạng điện ô tô

Mạng điện ô tô gồm hai mạch chính: mạch sơ cấp và mạch thứ cấp. Mạch sơ cấp hoạt động ở điện áp thấp 12V, cung cấp năng lượng cho hệ thống khởi động, chiếu sáng và các thiết bị phụ trợ. Mạch thứ cấp xử lý điện áp cao hàng chục kilovolt phục vụ đánh lửa. Các mạch này được bảo vệ bằng cầu chì và rơle. Dây điện sử dụng hệ thống màu chuẩn để dễ dàng nhận diện và sửa chữa. Hệ thống nối massa đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn mạch và giảm nhiễu điện từ.

1.2. Vai trò của ắc quy trong hệ thống

Ắc quy là nguồn điện hóa học lưu trữ năng lượng cung cấp cho khởi động động cơ và các thiết bị khi máy phát chưa hoạt động. Ắc quy axit-chì gồm các bản cực chì, chì điôxit ngâm trong dung dịch axit sunfuric. Nồng độ dung dịch điện phân ảnh hưởng trực tiếp đến sức điện động và dung lượng acquy. Mùa hè nồng độ khuyến nghị 1,25-1,26 g/cm³, mùa đông khoảng 1,27 g/cm³. Nồng độ quá cao làm hỏng bản cực và giảm tuổi thọ. Nồng độ quá thấp khiến acquy giảm điện dung, dễ đóng băng trong thời tiết lạnh.

II. Phân tích các vấn đề hệ thống điện ô tô

Hệ thống điện điện tử ô tô đối mặt nhiều thách thức kỹ thuật trong quá trình vận hành. Hư hỏng acquy là vấn đề phổ biến nhất, xảy ra do sunfat hóa bản cực, cạn dung dịch điện phân hoặc quá trình lão hóa tự nhiên. Nhiệt độ môi trường tác động mạnh đến nồng độ dung dịch, ảnh hưởng sức điện động và khả năng khởi động. Hệ thống khởi động chịu tải lớn, đòi hỏi moment đủ mạnh để quay trục khuỷu đạt tốc độ nổ tối thiểu. Tỷ số truyền bánh răng máy khởi động với bánh đà phải đạt 9-18. Dây dẫn nối acquy đến máy khởi động không được dài quá 1m để hạn chế sụt áp. Hệ thống đánh lửa gặp trục trặc khi cuộn dây hỏng, bugi mòn hoặc bộ phân phối lỗi thời. Điện áp không ổn định gây hư hỏng thiết bị điện tử nhạy cảm. Nhiễu điện từ giữa các mạch cũng là nguyên nhân khiến hệ thống hoạt động không chính xác.

2.1. Nguyên nhân hư hỏng acquy và cách nhận biết

Hư hỏng acquy thường do ba nguyên nhân chính: sunfat hóa bản cực, ngắn mạch bên trong và lão hóa vật liệu. Sunfat hóa xảy ra khi acquy để lâu không nạp, tinh thể sunfat bám chặt lên bản cực giảm khả năng tiếp xúc hóa học. Dấu hiệu nhận biết gồm: khởi động yếu, đèn pha mờ, điện áp đo dưới 12,4V khi không tải. Dung dịch điện phân đổi màu đục cũng là triệu chứng bản cực bị hỏng. Kiểm tra tỷ trọng dung dịch bằng thước đo axit giúp đánh giá chính xác tình trạng acquy.

2.2. Sự cố hệ thống khởi động và đánh lửa

Hệ thống khởi động gặp sự cố khi rơle không đóng mạch, bánh răng không ăn khớp hoặc motor điện hỏng cuộn dây. Rơle khởi động gồm cuộn hút và cuộn giữ, khi tiếp điểm oxy hóa thì dòng điện không truyền qua được. Máy khởi động loại mắc nối tiếp có moment khởi động lớn nhưng tốc độ quay thấp. Loại mắc hỗn hợp kết hợp ưu điểm cả hai kiểu đấu dây. Hệ thống đánh lửa trục trặc do cuộn sơ cấp, thứ cấp hỏng, bộ chia điện lỗi hoặc bugi bám muội carbon. Điện áp đánh lửa phải đạt 15-30kV để đốt cháy hỗn hợp khí-nhiên liệu.

III. Giải pháp bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống điện

Bảo dưỡng định kỳ là giải pháp hiệu quả nhất để duy trì hệ thống điện điện tử ô tô hoạt động ổn định. Kiểm tra acquy hàng tháng bao gồm đo điện áp, tỷ trọng dung dịch và vệ sinh cọc tiếp xúc. Thay thế acquy khi dung lượng giảm dưới 70% định mức. Hệ thống khởi động cần kiểm tra relay, bánh răng ăn khớp và dòng khởi động bằng ampe kẹp. Dây dẫn phải đảm bảo tiết diện đúng quy cách, các mối nối được siết chặt và chống oxy hóa. Bugi đánh lửa cần thay thế theo khuyến cáo nhà sản xuất, thường mỗi 20.000-40.000 km. Sử dụng thiết bị chẩn đoán OBD-II để đọc mã lỗi và xác định chính xác vị trí hỏng hóc. Phần mềm điều khiển ECU cần cập nhật khi có phiên bản mới từ nhà sản xuất. Huấn luyện kỹ năng phân tích sơ đồ mạch điện giúp kỹ thuật viên chẩn đoán nhanh và chính xác.

3.1. Quy trình kiểm tra acquy đúng chuẩn

Quy trình kiểm tra acquy gồm các bước: đo điện áp hở mạch bằng vôn kế (chuẩn 12,6V khi đầy), đo tỷ trọng dung dịch bằng thước đo axit, kiểm tra tải bằng máy phóng điện. Tỷ trọng chuẩn khi acquy đầy đạt 1,26 g/cm³ ở 25°C. Nếu tỷ trọng chênh lệch giữa các ngăn quá 0,05 g/cm³, acquy cần thay thế. Kiểm tra dung dịch phải đạt vạch quy định, châm thêm nước cất nếu thấp. Vệ sinh cọc acquy bằng nước soda, bôi mỡ chống oxy hóa. Kiểm tra dây mass nối thân xe phải đảm bảo tiếp xúc tốt.

3.2. Kỹ thuật chẩn đoán hệ thống khởi động

Chẩn đoán hệ thống khởi động sử dụng ampe kẹp đo dòng khởi động. Dòng khởi động tiêu chuẩn cho xe du lịch đạt 100-200A. Nếu dòng cao bất thường, nguyên nhân có thể do cuộn dây ngắn mạch hoặc ổ bi kẹt. Dòng thấp cho thấy tiếp điểm relay oxy hóa hoặc acquy yếu. Kiểm tra relay bằng cách đo điện trở cuộn hút và cuộn giữ. Dùng đồng hồ đo điện áp tại cọc motor khi khởi động, sụt áp không quá 0,5V trên dây dẫn. Kiểm tra bánh răng ăn khớp bằng cách quan sát qua lỗ thăm trên vỏ máy khởi động.

IV. Ứng dụng và xu hướng phát triển hệ thống điện ô tô

Hệ thống điện điện tử ô tô hiện đại ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực điều khiển. Hệ thống phun nhiên liệu điện tử sử dụng ECU tính toán thời điểm và lượng phun tối ưu dựa trên tín hiệu cảm biến. Hệ thống chống bó cứng phanh ABS can thiệp chính xác từng bánh xe khi phát hiện trượt. Hệ thống cân bằng điện tử ESP duy trì ổn định thân xe trong tình huống khẩn cấp. Hệ thống điều hòa tự động sử dụng cảm biến nhiệt độ và độ ẩm để tối ưu hóa cabin. Xe hybrid và xe điện đặt ra yêu cầu mới cho hệ thống điện áp cao 400-800V. Công nghệ lái xe tự động dựa hoàn toàn vào mạng cảm biến và bộ xử lý trung tâm. Xu hướng tương lai tập trung vào xe điện hóa, kết nối V2X và trí tuệ nhân tạo tích hợp. Nhu cầu kỹ thuật viên hiểu biết sâu về hệ thống điện điện tử ngày càng cao, đòi hỏi đào tạo bài bản và cập nhật liên tục.

4.1. Hệ thống điều khiển động cơ ECU hiện đại

ECU là bộ não điện tử điều khiển hoạt động động cơ thông qua tín hiệu từ hàng chục cảm biến. Cảm biến vị trí trục khuỷu xác định tốc độ quay, cảm biến lưu lượng khí nạp tính toán lượng nhiên liệu cần phun. ECU xử lý dữ liệu thời gian thực để điều khiển thời điểm đánh lửa, tỷ lệ hỗn hợp khí-nhiên liệu và hệ thống tuần hoàn khí xả. Phần mềm ECU được hiệu chỉnh theo tiêu chuẩn khí thải Euro 4, Euro 5. Giao thức CAN bus cho phép các ECU giao tiếp tốc độ cao trong mạng điện xe.

4.2. Xu hướng điện hóa và xe thông minh

Xe điện và xe hybrid sử dụng hệ thống điện áp cao 400-800V với bộ biến tần chuyển đổi DC-AC cho motor điện. Pin lithium-ion thay thế acquy axit-chì truyền thống, yêu cầu hệ thống quản lý pin BMS phức tạp. Công nghệ phanh tái hồi năng lượng chuyển đổi động năng thành điện năng sạc lại pin. Xe thông minh tích hợp hệ thống hỗ trợ lái ADAS sử dụng camera, radar và lidar. Kết nối V2X cho phép xe giao tiếp với hạ tầng giao thông và các xe khác. Phần mềm OTA cập nhật từ xa thay thế phương pháp bảo dưỡng truyền thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ỦY BAN NHÂN DÂN TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI ------ GIÁO TRÌNH HỆ THỐNG THỐNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ Ô TÔ NGÀNH: KỸ THUẬT Ô TÔ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Lưu hành nội bộ - Năm 2012 Khoa Kỹ thuật ô tô 1 ỦY BAN NHÂN DÂN TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI ------ GIÁO TRÌNH HỆ THỐNG THỐNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ Ô TÔ NGÀNH: KỸ THUẬT Ô TÔ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Chủ biên : ThS. Trần Hoàng Luân Thành viên: ThS. Lê Văn Nghĩa Lưu hành nội bộ - Năm 2012 Khoa Kỹ thuật ô tô 2 GIÁO TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ Ô TÔ GIỚI THIỆU VỀ MÔN HỌC a. Vị trí, tính chất môn học - Vị trí môn học: Là môn học chuyên ngành, được bố trí kỳ II của năm học thứ hai, học sau các môn: Các môn cơ sở ngành, Động cơ đốt trong, Ô tô - Tính chất môn học: Môn học bắt buộc, kiểm tra kết thúc môn. Mục tiêu của môn học: Kiến thức: - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc của các mạch điện trong hệ thống điện và điện tử ô tô. - Trình bày được yêu cầu và nhiệm vụ của các chi tiết và các hệ thống trong hệ thống điện – điện tử ô tô Kỹ năng: - Có khả năng vận dụng kiến thức đã học vào công việc thực hành và công việc thực tế - Phân tích được những hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng làm cho hệ thống không hoạt động - Giải thích được những nguyên nhân khách quan ảnh hưởng đến hệ thống điện và có khả năng tìm kiếm được những dụng cụ hoặc chi tiết để thay thế cho các chi tiết hư hỏng Thái độ: - Phải chấp hành nghiêm những yêu cầu của giảng viên trong giờ lên lớp -. Phải nghiêm túc và đảm bảo an toàn khi tham gia học tập. Mô tả tóm tắt nội dung học phần: Môn học trang bị cho sinh viên ngành Công nghệ Ô tô trình độ cao đẳng những kiến thức cơ bản về hệ thống điện – điện tử trên ô tô, bao gồm: sơ đồ, cấu tạo, nguyên lý làm việc, tính toán đơn giản các hệ thống riêng biệt hợp thành mạng điện ô tô. Dành cho sinh viên cao đẳng chính quy năm học thứ 2. Môn học có 5 tín chỉ (75 tiết). Điều kiện tiên quyết là sinh viên đã học xong các môn: Điện kỹ thuật, Điện tử cơ bản, Động cơ đốt trong, Ô tô. Sinh viên phải đến lớp học lý thuyết tối thiểu là 80% thời gian của môn học Khoa Kỹ thuật ô tô 3 d. Nội dung môn học. Chương 1: Khái quát về hệ thống điện – điện tử trên ô tô Chương 2: Ắc quy khởi động Chương 3: Hệ thống khởi động Chương 4: Hệ thống cung cấp điện Chương 5: Hệ thống đánh lửa Chương 6: Hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ. Chương 7: Hệ thống điều khiển làm mát động cơ Chương 8: Hệ thống thông tin trên ô tô Chương 9: Hệ thống chiếu sáng và tín hiệu Chương 10: Các hệ thống phụ Khoa Kỹ thuật ô tô 4 LỜI NÓI ĐẦU Trong vòng 20 năm trở lại đây, công nghiệp ôtô đã có những sự thay đổi lớn lao. Đặc biệt, hệ thống điện và điện tử trên ôtô đã có bước phát triển vượt bậc nhằm đáp ứng các yêu cầu: tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm độ độc hại của khí thải, tăng tính an toàn và tiện nghi của ô tô. Ngày nay, chiếc ô tô là một hệ thống phức hợp bao gồm cơ khí và điện tử. Trên hầu hết các hệ thống điện ôtô đều có mặt các bộ vi xử lý để điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống. Các hệ thống mới lần lượt ra đời và được ứng dụng rộng rãi trên các loại xe, từ các hệ thống điều khiển động cơ và các hệ thống phụ. Giá thành của các hệ thống điện và điện tử đã chiếm 30 - 40 % giá thành của xe. Để giúp cán bộ kỹ thuật trong ngành và sinh viên nắm bắt kịp thời kiến thức trong những lĩnh vực nêu trên, quyển sách “Hệ thống điện và điện tử trên ôtô cơ”, sau một thời gian dài chỉnh lý, đã ra đời. Quyển sách được viết theo chương trình khung ngành Công nghệ ôtô Các tác giả chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Kỹ Thuật ÔTô đã đóng góp những ý kiến có ích và khích lệ chúng tôi trong quá trình biên soạn giáo trình này. Tuy rất cố gắng nhưng giáo trình không tránh khỏi một số sai sót nhất định, kính mong quý đồng nghiệp và độc giả cho ý kiến để hoàn thiện hơn. Các tác giả Khoa Kỹ thuật ô tô 5 CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG MỤC TIÊU: Sau khi nghiên cứu Bài học này, sinh viên sẽ có khả năng: - Trình bày tổng quan về mạng điện và hệ thống điện trên ôtô. - Trình bày được các yêu cầu kỹ thuật , các lọai phụ tải và các ký hiệu trong hệ thống điện trên ôtô. - Biết cách tính toán để chọn dây dẫn trong hệ thống điện ô tô Ôtô hiện nay được trang bị nhiều chủng loại thiết bị điện và điện tử khác nhau. Từng nhóm các thiết bị điện có cấu tạo và tính năng riêng, phục vụ một số mục đích nhất định, tạo thành những hệ thống điện riêng biệt trong mạch điện của ôtô.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN TRÊN ÔTÔ 1. Hệ thống khởi động (starting system): Bao gồm accu, máy khởi động điện (starting motor), các relay điều khiển và relay bảo vệ khởi động. Đối với động cơ diesel có trang bị thêm hệ thống xông máy (glow system). Hệ thống cung cấp điện (charging system): gồm accu, máy phát điện (alternators), bộ tiết chế điện (voltage regulator), các relay và đèn báo nạp. Hệ thống đánh lửa (Ignition system): Bao gồm các bộ phận chính: accu, khóa điện (ignition switch), bộ chia điện (distributor), biến áp đánh lửa hay bobine (ignition coils), hộp điều khiển đánh lửa (igniter), bougie (spark plugs). Hệ thống chiếu ánh sáng và tín hiệu (lighting and signal system): gồm các đèn chiếu sáng, các đèn tín hiệu, còi, các công tắc và các relay. Khoa Kỹ thuật ô tô 6 5. Hệ thống đo đạc và kiểm tra (gauging system): chủ yếu là các đồng hồ báo trên tableau và các đèn báo gồm có: đồng hồ tốc độ động cơ (tachometer), đồng hồ đo tốc độ xe (speedometer), đồng hồ đo nhiên liệu và nhiệt độ nước. Hệ thống điều khiển động cơ (engine control system): gồm hệ thống điều khiển xăng, lửa, góc phối cam, ga tự động (cruise control). Ngoài ra, trên các động cơ diesel ngày nay thường sử dụng hệ thống điều khiển nhiên liệu bằng điện tử (EDC – electronic diesel control hoặc common rail injection) 7. Hệ thống điều khiển ôtô: bao gồm hệ thống điều khiển phanh chống hãm ABS (antilock brake system), hộp số tự động, tay lái, gối hơi (SRS), lực kéo (traction control). Hệ thống điều hòa nhiệt độ (air conditioning system): bao gồm máy nén (compressor), giàn nóng (condenser), lọc ga (dryer), van tiết lưu (expansion valve), giàn lạnh (evaporator) và các chi tiết điều khiển như relay, thermostat, hộp điều khiển, công tắc A/C… Nếu hệ thống này được điều khiển bằng máy tính sẽ có tên gọi là hệ thống tự động điều hòa khí hậu (automatic climate control). Các hệ thống phụ: Hệ thống gạt nước, xịt nước (wiper and washer system). Hệ thống điều khiển cửa (door lock control system). Hệ thống điều khiển kính (power window system). Hệ thống điều khiển kính chiếu hậu (mirror control). Hệ thống định vị (navigation system) Khoa Kỹ thuật ô tô 7 Khoa Kỹ thuật ô tô 1. Bộ điều chỉnh điện; 5. Motor lau cửa kính; 6. Biến áp đánh lửa; 7. Bộ chia điện; 8. Đồng hồ; 10 và 15. Công tắc đèn trần tự động; 11. Công tắc đèn trần; 12. Đèn trần; 13 và 16. Bó dây chính; 14. Máy khởi động điện; 18.1: Sơ đồ bố trí các thiết bị điện trên ôtô (M21 – Vonga) 8 1.2 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN 1. Nhiệt độ làm việc Tùy theo vùng khí hậu, thiết bị điện trên ôtô được chia ra làm nhiều loại: • Ở vùng lạnh và cực lạnh (-40oC) như ở Nga, Canada. • Ở vùng ôn đới (20oC) như ở Nhật Bản, Mỹ, châu Âu … • Nhiệt đới (Việt Nam, các nước Đông Nam Á , châu Phi…). • Loại đặc biệt thường dùng cho các xe quân sự (sử dụng cho tất cả mọi vùng khí hậu). Sự rung xóc Các bộ phận điện trên ôtô phải chịu sự rung xóc với tần số từ 50 đến 250 Hz, chịu được lực với gia tốc 150m/s2. Điện áp Các thiết bị điện ôtô phải chịu được xung điện áp cao với biên độ lên đến vài trăm volt. Độ ẩm Các thiết bị điện phải chịu được độ ẩm cao thường có ở các nước nhiệt đới. Độ bền Tất cả các hệ thống điện trên ôtô phải được hoạt động tốt trong khoảng 0,9  1,25 Uđịnh mức (Uđm = 14 V hoặc 28 V) ít nhất trong thời gian bảo hành của xe. Nhiễu điện từ Các thiết bị điện và điện tử phải chịu được nhiễu điện từ xuất phát từ hệ thống đánh lửa hoặc các nguồn khác. Khoa Kỹ thuật ô tô 9 1.3 NGUỒN ĐIỆN TRÊN ÔTÔ Nguồn điện trên ô tô là nguồn điện một chiều được cung cấp bởi accu, nếu động cơ chưa làm việc, hoặc bởi máy phát điện nếu động cơ đã làm việc. Để tiết kiệm dây dẫn, thuận tiện khi lắp đặt sửa chữa…, trên đa số các xe, người ta sử dụng thân sườn xe (car body) làm dây dẫn chung (single wire system). Vì vậy, đầu âm của nguồn điện được nối trực tiếp ra thân xe.4 CÁC LOẠI PHỤ TẢI TRÊN ÔTÔ Các loại phụ tải điện trên ôtô được mắc song song và có thể được chia làm 3 loại: 1. Phụ tải làm việc liên tục: gồm bơm nhiên liệu (50  70W), hệ thống đánh lửa (20W), kim phun (70  100W) … 2. Phụ tải làm việc không liên tục: gồm các đèn pha (mỗi cái 60W), cốt (mỗi cái 55W), đèn kích thước (mỗi cái 10W), radio car (10  15W), các đèn báo trên tableau (mỗi cái 2W)… 3. Phụ tải làm việc trong khoảng thời gian ngắn: gồm đèn báo rẽ (4 x 21W + 2 x 2W), đèn thắng (2 x 21W), motor điều khiển kính (150W), quạt làm mát động cơ (200W), quạt điều hòa nhiệt độ (2 x 80W), motor gạt nước (30  65W), còi (25  40W), đèn sương mù (mỗi cái 35  50W), còi lui (21W), máy khởi động (800  3000W), mồi thuốc (100W), anten (dùng motor kéo (60W)), hệ thống xông máy (động cơ diesel) (100  150W), ly hợp điện từ của máy nén trong hệ thống lạnh (60W)… Ngoài ra, người ta cũng phân biệt phụ tải điện trên ô tô theo công suất, điện áp làm việc .