Nếu điều gì đó không thể tiếp tục thì nó sẽ không thể tiếp tục; cung cấp cho nhu cầu điện phàm ăn của ô tô từ pin 12-V là một ví dụ về thực tế này.
Thay đổi cấu trúc liên kết ảnh hưởng đến nguồn pin
Do sự cố 12-V, nhiều xe ICE mới hơn và gần như tất cả xe EV/HEV cũng có pin 48-V. Pin này phục vụ các tải được cấp nguồn hiệu quả hơn nhờ điện áp cao hơn trong khi vẫn giữ được nguồn 12-V cho các tải có dòng điện thấp hơn.
Bộ chuyển đổi DC/DC 48-V thường được thiết kế để cho phép năng lượng điện truyền hai chiều từ pin này sang pin kia khi cần, dưới sự chỉ đạo của cơ chế quản lý pin phức tạp (BMS) để cân bằng tối ưu nguồn năng lượng so với nhu cầu tải (Hình 1).
Quản lý pin đã trở thành một hệ thống cực kỳ phức tạp mặc dù nó có vẻ đơn giản trong sơ đồ bock cấp cao (Hình 2).
Tuy nhiên, không chỉ điện áp pin cơ bản tăng lên. Nhu cầu về hệ thống đã thúc đẩy các nhà thiết kế làm lại cấu trúc liên kết cơ bản về cách phân phối và chuyển đổi điện áp và năng lượng của pin xuống đường ray điện áp thấp hơn cho thiết bị điện tử, đồng thời cung cấp điện áp cao hơn cho các tải có công suất cao hơn như động cơ phụ kiện, bộ khuếch đại âm thanh trong hàng chục, hàng trăm watt, v.v.
Công suất năng lượng pin của xe điện hiện đại có thể dao động từ khoảng 30 kWh ở xe điện nhỏ như Mini Cooper SE đến hơn 200 kWh ở xe điện lớn và mạnh mẽ như xe tải GMC Hummer EV. Hình 3 cho thấy sự tiến hóa thực tế và nó sẽ đi đến đâu.
Khi ô tô trở thành “thiết bị điện tử và máy tính” trên bánh xe (ảnh trái), các nhà thiết kế đã sử dụng cấu trúc liên kết phân tán với một nút trung tâm. Với kiến trúc này, họ có thể thêm các chức năng mới chỉ bằng cách thêm các bộ điều khiển điện tử (ECU) mới. Qua nhiều năm, những bổ sung này đã mở rộng đến khoảng từ 50 đến 100 (hoặc hơn) ECU và khoảng cách dây điện lên tới 4 km (2.5 dặm), và thường là hơn thế nữa.
Cách tiếp cận này đơn giản và trực tiếp. Tuy nhiên, kiến trúc phân tán không còn phù hợp do khối lượng lớn của hệ thống dây điện, sự kém hiệu quả về điện trong phân phối điện, các cân nhắc về độ tin cậy (bao gồm cả an ninh mạng) cũng như các cân nhắc về chi phí và an toàn. Ngoài ra, mỗi chức năng được thêm vào cần có kết nối mạng bên cạnh nguồn DC.
Khi các kiến trúc phân tán đã trở nên quá tải, các nhà thiết kế đang chuyển sang các kiến trúc “miền” với mạng phân phối điện một phần phi tập trung (hình giữa). Theo cách tiếp cận này, các chức năng như ADAS, thông tin giải trí và viễn thông được nhóm lại một cách hợp lý, mỗi chức năng có bộ xử lý riêng. Mặc dù cách tiếp cận miền này có ý nghĩa hợp lý nhưng nó thực sự có thể làm tăng số lượng hệ thống dây điện và kết nối, do đó làm tăng trọng lượng xe, tổn thất điện năng và chi phí. Hơi phản trực giác, kiến trúc này cuối cùng nhất thiết phải là cách hiệu quả nhất để tổ chức hệ thống phân phối điện và điện của xe.
Trong vài năm tới, sẽ có sự chuyển đổi sang các kiến trúc “khu vực” tập trung hoàn toàn. Với kiến trúc này, các hệ thống được nhóm một cách hợp lý và vật lý thành các vùng có thể được tổ chức hiệu quả. Trong mỗi vùng, một bộ xử lý mạnh mẽ duy nhất quản lý tất cả các chức năng và vùng này được cung cấp năng lượng bởi một bộ phân phối điện duy nhất thay vì một dãy các bộ phận có tính cục bộ cao; Ngoài ra, có một kết nối mạng duy nhất cho vùng (Ethernet và các kết nối khác).
Bằng cách di chuyển ECU đến gần bộ truyền động và cảm biến hơn, cần ít dây hơn và ít kết nối hơn, mang lại những lợi ích rõ ràng và không rõ ràng. Chiều dài đường cáp được rút ngắn đáng kể thông qua việc bố trí thiết bị được tối ưu hóa và một số loại cáp được loại bỏ nhờ tích hợp chức năng. Cáp mỏng hơn, linh hoạt hơn cho dòng điện thấp hơn ở điện áp cao hơn có thể được sử dụng thay cho cáp dây tròn, nặng hơn. Điều này giúp giảm chi phí BOM, đơn giản hóa việc chạy cáp và thuận lợi hơn cho việc xử lý, lắp ráp và lắp đặt bằng robot trong sản xuất (một lợi ích dễ bị bỏ qua).
Ý nghĩa vùng bao gồm việc triển khai dễ dàng hơn các hệ thống điện áp cao hơn. Trong khi hệ thống điện 12-V đã trở thành tiêu chuẩn trong nhiều thập kỷ, thì kiến trúc khu vực cần 48 V để hỗ trợ các yêu cầu dự phòng và tiêu thụ điện năng cao hơn. Đây không phải là một sự thay đổi căn bản vì nhiều ô tô đã có bộ pin 12V và 48V. Lưới điện 48-V giúp giảm tổn thất điện năng và cho phép bó dây nhẹ hơn (Hình 4).
Phần tiếp theo sẽ tìm hiểu ý nghĩa của cấu trúc vùng và cách các bộ chuyển đổi DC/DC tiên tiến có thể loại bỏ pin 12-V và thậm chí cả pin 48-V.
Nội dung EE World liên quan
Câu hỏi thường gặp về nam châm dùng cho nguồn điện và đánh lửa, Phần 1
Câu hỏi thường gặp về nam châm dùng cho nguồn điện và đánh lửa, Phần 2
Hỏi đáp về động cơ máy kéo phần 1
Hỏi đáp về động cơ máy kéo phần 2
Hỏi đáp về động cơ máy kéo phần 3
Danh mục đầu nối đầu cuối đáp ứng nhu cầu của hệ thống điện xe 48-V
Tăng cường hiệu suất trong phân phối điện 48-V
Tự trị Công nghệẢnh hưởng ngày càng tăng của việc cải tiến hệ thống điện xe cộ
Tối ưu hóa mạng lưới phân phối điện
Tài liệu tham khảo bên ngoài
Hệ thống thiết kế Cadence, “Kiến trúc khu vực là gì? Và tại sao nó lại thay đổi chuỗi cung ứng ô tô?”
Vicor Corp., “Hệ thống 48V: Những điều bạn cần biết khi các nhà sản xuất ô tô nói lời tạm biệt với 12V”
Vicor Corp., “Xe điện: 48V là 12V mới”
Vicor Corp., “Tesla Cybertruck sẽ loại bỏ các linh kiện điện 12V”
TE Connectivity, “Khả năng kết nối trong Kiến trúc E/E ô tô thế hệ tiếp theo”
Infineon, “Hệ thống phân phối điện ô tô”
Clore Automotive, “Sự phát triển của ắc quy ô tô”
Hệ thống pin lục địa, “Sự phát triển của pin ô tô - Từ công nghệ cũ đến MIXTECH”
MDPI, “Đặc điểm của hệ thống quản lý pin của xe điện có xem xét quá trình cân bằng tế bào chủ động và thụ động”
ResearchGate, “Phương pháp tiếp cận có hệ thống để phát triển kiến trúc hệ thống điện ô tô”
Bên trong xe điện, “Tesla xác nhận việc chuyển sang hệ thống 48 Volt”
Texas Instruments, “Xử lý các ưu điểm của kiến trúc vùng trong ô tô”