CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về xe điện
Xe điện đang là xu thế của ngành công nghiệp ô tô hiện nay, các hãng xe trên thế giới đang chạy đua để có thể cho ra mắt nhiều mẫu xe điện thuộc từng phân khúc khác nhau Ở Việt Nam, trong vòng 4 năm gần đây, từ khóa xe điện đang dần phổ biến Nhờ vào chính sách ngừng sản xuất xe chạy bằng động cơ đốt trong, chuyển sang sản xuất xe điện của hãng xe Vinfast, ta ngày càng thấy nhiều hơn những mẫu xe điện từ hãng xe này như Vinfast Vf e34, VF 5 Plus, VF 6, VF 7, VF
8 và VF 9 Điều đó cho thấy xe điện sẽ ngày càng được sử dụng phổ biến, có giá thành cạnh tranh.
Hình 2.1: Xe điện Vinfast Vf e34
Xét về mặt cấu tạo, có thể thấy hầu hết các loại xe điện trên thị trường đều có cấu tạo dựa trên một bộ khung thống nhất Điểm khác biệt giữa các hãng xe khi chế tạo ra xe điện là hãng dùng loại động cơ gì, công nghệ pin thế nào và chuẩn sạc cho từng thị trường khác nhau.
Hình 2.2: Mô hình cấu tạo chung trên xe điện
Hình 2.3: Các bộ phận chính trên xe điện các bánh xe Ngoài ra, khi xe phanh, động cơ điện sẽ trở thành máy phát điện (phanh tái sinh ) để cung cấp dòng điện sạc cho hệ thống pin Các loại động cơ điện được sử dụng trên các loại xe ngày nay cũng khá đa dạng, tùy thuộc vào mỗi hãng xe sẽ sử dụng loại động cơ khác nhau như động cơ điện một chiều có chổi than và không chổi than, động cơ điện cảm, động cơ từ trở thay đổi,…
Hình 2.4: Động cơ dùng trên xe điện
Cổng sạc: là bộ phận kết nối với dây sạc từ lưới điện để đưa nguồn điện vào bên trong sạc cho hệ thống pin Vị trí cổng sạc có thể là ở phía trước hoặc phía sau bên hông xe Cổng sạc cũng có các chuẩn khác khau tùy thuộc vào thị trường, quốc gia và hãng xe cụ thể.
Hình 2.5: Cổng sạc xe điện
Pin: để động cơ điện có thể hoạt động thì trên xe cần có hệ thống pin điện áp cao Pin sẽ được tạo thành từ nhiều khối pin nhỏ và ghép lại thành một khối lớn được đặt ở gầm xe Pin sẽ lưu trữ năng lượng dưới dạng dòng điện một chiều, tùy thuộc vào loại động cơ điện mà sẽ có bộ chuyển đổi DC-DC hoặc DC-AC để cung cấp năng lượng đến động cơ Pin dùng trên xe điện có thể được sạc lại, dung lượng và tuổi thọ của khối pin sẽ tùy thuộc vào số lượng viên pin cũng như chất lượng của loại pin được sử dụng.
Hình 2.6: Bộ pin trên xe điện
Bộ chỉnh lưu: được sử dụng để chuyển đổi nguồn điện AC nhận được từ cổng sạc sang nguồn DC để sạc cho bộ pin Bộ chỉnh lưu được lắp đặt bên trong xe, nó theo dõi các đặc điểm khác nhau của pin, kiểm soát điện áp, dòng điện, nhiệt độ và trạng thái sạc của bộ pin.
Bộ biến tần: biến đổi dòng điện một chiều (DC) trên pin thành dòng điện xoay chiều (AC) hoặc đôi khi vẫn là dòng diện một chiều (DC) tùy thuộc vào loại động cơ điện được sử dụng trên xe Dòng điện xoay chiều (hoặc một chiều) này sẽ cung cấp năng lượng cho động cơ hoạt động Ngược lại, khi chiếc xe phanh, bộ biến tần lại làm nhiệm vụ chuyển dòng xoay chiều sinh ra trong quá trình phanh trở thành dòng điện một chiều để nạp lại năng lượng cho pin.
Hình 2.8: Bộ biến tần trên xe điện
Bộ điều khiển trung tâm: là ECU của xe, quản lý và điều khiển mọi thông số từ pin, điều khiển động cơ, tín hiệu chân ga, momen xoắn của động cơ,…
Hình 2.9: Bộ điều khiển trên xe Ắc quy phụ: tuy là xe điện nhưng vẫn không thể thiếu đi ắc quy phụ 12V cung cấp nguồn cho phụ tải hoạt động như các hộp điều khiển, hệ thống đèn tín hiệu, hệ thống mở khóa cửa từ xa,…
Hình 2.10: Ắc quy phụ trên xe điện
Hệ thống quản lý nhiệt: chịu trách nhiệm duy trì nhiệt độ vận hành cho các bộ phận chính của xe điện (như động cơ điện, bộ điều khiển, ) Hệ thống này cũng hoạt động trong quá trình sạc để đạt được hiệu suất tối đa Nó sử dụng kết hợp làm mát nhiệt điện, làm mát không khí cưỡng bức và làm mát bằng chất lỏng.
Hộp số: chuyển công suất cơ học từ động cơ điện đến các bánh xe Ưu điểm của ô tô điện là không yêu cầu hộp số có nhiều cấp số Hiệu suất truyền dẫn phải cao để tránh tổn thất điện năng.
Hình 2.12: Hộp số một cấp trên xe điện
2.1.2 Các cấp độ sạc và chuẩn sạc trên xe điện hiện nay
Xe điện đang phát triển và phổ biến trên mạng lưới giao thông của toàn thế giới, và vấn đề được xem là lớn nhất đối với xe điện đó là phạm vi hoạt động Các nhà sản xuất ô tô luôn cố gắng tăng dung lượng pin để xe đạt được phạm vi hoạt động dài nhất có thể, nhưng điều gì cũng có giới hạn nên việc phát triển các hạ tầng phục vụ cho xe điện như trạm sạc sẽ là giải pháp tốt nhất và dễ thực hiện nhất ở thời điểm hiện tại.
Tùy thuộc vào từng thị trường, từng quốc gia và hãng xe mà sẽ có cách phát triển hệ thống trạm sạc, chuẩn cổng sạc và cấp độ sạc khác nhau Xét về cấp độ sạc, hiện có ba cách để cung cấp năng lượng cho hệ thống pin của xe bao gồm cấp độ 1, cấp độ 2 và sạc nhanh DC (hay còn được gọi là cấp độ 3).
Sạc cấp độ 1 (hoặc 120V): là bộ sạc dưới dạng dây sạc có phích cắm 3 chấu, đi kèm khi khách hàng mua một chiếc xe điện Cấp sạc này sử dụng nguồn điện dân dụng tiêu chuẩn mà hầu hết các thiết bị điện tử hiện nay đang cắm Một đầu dây với phích cắm 3 chấu sẽ cắm vào ổ điện, đầu còn lại sẽ cắm vào cổng sạc trên xe.
Hình 2.13: Minh họa dây dẫn sạc cấp độ 1
Tại nhiều quốc gia, điện áp sử dụng cho các gia đình thường là dạng xoay chiều AC 220V-240V Một số ít quốc gia sử dụng điện áp xoay chiều AC 110V-120V Sạc cấp độ 1 là loại sạc chậm nhất, vậy nên các chủ sở hữu xe thường sử dụng cấp độ sạc này tại gia đình và sạc xe qua đêm. cấp độ 2 cũng là bộ sạc phổ biến nhất được tìm thấy tại các trạm sạc công cộng như trạm sạc, điểm dừng nghỉ, cây xăng,
Hình 2.15: Minh họa dây dẫn sạc cấp độ 2
Tổng quan về các bộ phận điện được sử dụng trên xe
2.2.1.1 Khái niệm Động cơ điện là loại động cơ dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ học Hầu hết động cơ điện hiện nay hoạt động theo hiệu ứng điện từ. Ngoài ra, còn có số ít động cơ áp điện hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, và thường là động cơ cỡ nhỏ hoặc siêu nhỏ.
Hình 2.22: Động cơ điện với nhiều kích cỡ khác nhau
Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện chủ yếu dựa trên hai bộ phận chính đó là phần tĩnh (stator) và phần động (rotor) gồm nhiều vòng dây quấn xung quanh hoặc có nam châm vĩnh cửu Khi cuộn dây trên rotor và stator được kết nối với nguồn điện, từ trường được hình thành bên trong cuộn dây Sự tương tác từ trường giữa rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục hay một momen.
2.2.1.3 Phân loại động cơ điện được sử dụng phổ biến trên xe điện Động cơ điện sẽ có rất nhiều cách phân loại khác nhau dựa vào nguồn điện sử dụng, mục đích sử dụng khác nhau Xét theo phương diện chung, động cơ điện được chia thành hai phân mảng chính dựa theo nguồn điện mà động cơ sử dụng: động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều. Đúng như tên gọi, động cơ điện một chiều sử dụng nguồn điện một chiều để hoạt động, còn đối với động cơ điện xoay chiều thì sử dụng nguồn điện xoay chiều. Thông thường thì kích thước của động cơ điện một chiều sẽ nhỏ hơn động cơ điện xoay chiều, được ứng dụng nhiều trong các hệ thống có sử dụng pin, còn động cơ điện xoay chiều được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp nặng đòi hỏi momen xoắn lớn và sử dụng với mạng lưới điện công nghiệp xoay chiều.
Trong hai phân mảng lớn của động cơ điện lại gồm những phân loại nhỏ hơn để dễ dàng phân biệt và phù hợp với từng mục đích sử dụng Động cơ điện một chiều lại được chia thành các loại như: động cơ điện một chiều có chổi than (Brushed DC motor), động cơ điện một chiều không chổi than (Brushless DC motor), động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet motor), động cơ Servo,… Còn đối với động cơ điện xoay chiều sẽ được phân thành các loại như: động cơ đồng bộ ba pha (Synchronous motor), động cơ không đồng bộ ba pha (Asynchronous motor), động cơ điện cảm (Induction motor),… Đối với tốc độ phát triển của ô tô điện hiện nay đòi hỏi các hãng xe đang chạy đua để ứng dụng các loại động cơ điện phù hợp nhằm mang lại hiệu quả về công suất, khối lượng, cấu tạo, vấn đề bảo dưỡng, sửa chữa và giá thành Nhiều loại động cơ điện đã được sử dụng phổ biến trên xe điện ở thời điểm trước đây và hiện tại có thể kể đến như: động cơ điện một chiều có chổi than, động cơ điện một chiều không chổi than, động cơ điện cảm, động cơ từ trở thay đổi,… Động cơ điện Động cơ điện một chiều Động cơ có chổi than Động cơ không chổi Động cơ servo Động cơ điện xoay chiều Động cơ điện cảm Động cơ đồng bộ ba Động cơ không đồng bộ ba pha
Hình 2.23: Phân loại động cơ điện
2.2.1.3.1 Động cơ một chiều có chổi than (DC) Động cơ điện một chiều có chổi than sử dụng một dạng chuyển đổi cơ học để thay đổi cực dòng điện thông qua phần ứng của cuộn dây Bộ phận chuyển đổi cơ này được gọi là cổ góp, phần chổi quét được lắp ráp với cổ góp thường được làm từ carbon, kim loại, than chì và một số hỗn hợp vật liệu khác, gọi là chổi than.
Hình 2.24: Các bộ phận của động cơ một chiều có chổi than
Khi động cơ hoạt động, dòng điện đi từ dây nguồn đến phần ứng (rotor) thông qua chổi than rồi đến cổ góp Sau khi phần ứng được cung cấp điện, nó hoạt động giống như một nam châm và đẩy vào các cực của nam châm vĩnh cữu (stator), làm động cơ quay với tốc độ và momen tùy thuộc vào cường độ từ trường xung quanh phần ứng.
Hình 2.25: Hoạt động của động cơ một chiều có chổi than Động cơ có chổi than được chia làm hai loại phổ biến: nam châm vĩnh cửu và nam châm điện.
-Động cơ một chiều dùng nam châm vĩnh cửu: hoạt động bằng cách sử dụng từ trường vĩnh cửu để tạo ra vùng từ trường, giúp động cơ có thể quay được, từ trở được tạo ra làm giảm tương tác phần ứng, thay đổi điện áp vào rotor sẽ làm thay đổi tốc độ đầu ra của động cơ.
-Động cơ một chiều dùng nam châm điện: còn được gọi với cái tên khác là động cơ vạn năng hay được xem như loại động cơ xoay chiều, bởi vì nó có thể hoạt động ở cả nguồn điện một chiều và xoay chiều Động cơ sẽ gồm cuộn dây quấn trong stator liên kết với rotor thông qua cổ góp Khi hoạt động với nguồn điện xoay chiều, dòng điện sẽ đi vào cuộn dây rotor và stator (tạo ra vùng từ trường) Chiều quay của động cơ ở đầu ra luôn là một chiều, loại động cơ này thường có momen xoắn lớn, nhỏ gọn và nhẹ.
2.2.1.3.2 Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)
Hình 2.26: Động cơ điện một chiều không chổi than Đối lập với động cơ một chiều có chổi than, cách hoạt động của động cơ không chổi than hoàn toàn khác biệt Phần ứng trong động cơ không chổi than sẽ đứng yên và phần cảm sẽ quay Stator của động cơ không chổi than được làm từ các cuộn dây và rotor gắn vào trục động cơ làm từ nam châm vĩnh cữu.
Cuộn dây Cảm biến Hall
Hình 2.27: Cấu tạo động cơ điện một chiều không chổi than
Bởi vì động cơ không chổi than đã loại bỏ đi chổi than để cung cấp năng lượng cho phần ứng nên việc chuyển mạch trở nên phức tạp hơn và được thực hiện bằng điện tử Động cơ không chổi than sử dụng bộ điều khiển để tạo ra sự chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.
Trong thuật toán chuyển mạch dùng cảm biến, các cảm biến đặt dọc theo các cực của động cơ, phản hồi vị trí rotor về mạch điều khiển Có ba thuật toán phổ biến sử dụng để chuyển đổi dựa trên cảm biến: giao hoán hình thang, giao hoán hình sin, điều khiển vector (hoặc hướng trường) Mỗi thuật toán có ưu, nhược điểm khác nhau và có thể được sử dụng theo những cách khác nhau tùy thuộc phần mềm và thiết kế phần cứng.
Trong thuật toán chuyển mạch không cảm biến, thay vì đặt các cảm biến bên trong động cơ, mạch điều khiển được thiết kế để xác định vị trí rotor thông qua đo tín hiệu EMF (Electromagnetic field) phản hồi Thuật toán này hoạt động khá tốt và có chi phí thấp hơn do cắt giảm chi phí cảm biến Tuy nhiên việc sử dụng nó phức tạp hơn rất nhiều so với sử dụng cảm biến.
2.2.1.3.3 Động cơ điện cảm (IM) Động cơ điện cảm là loại động cơ điện xoay chiều, hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ trên stator để làm quay rotor Rotor của động cơ cảm ứng có thể là loại dây quấn hoặc loại lồng sóc. Động cơ cảm ứng bao gồm hai phần chính:
Stator: được làm bằng cách ghép chồng lên nhau các tấm thép kỹ thuật điện mỏng, bên trong động cơ có xẻ rãnh hoặc sử dụng khối thép đúc Thiết kế của stator sẽ có các cực mang dòng điện để tạo ra từ trường xuyên qua rotor Nhằm tối ưu hóa sự phân bố từ trường, các cuộn dây được phân bố trong các khe xung quanh stator, với từ trường có cùng số cực Bắc và Nam.
Rotor: được ghép từ nhiều thanh kim loại gộp chung lại thành một cái lồng hình trụ với phân loại rotor lồng sóc hoặc rotor vòng trượt.
KHẢO SÁT CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRÊN XE
Giới thiệu tổng quan về xe điện ZERO
Xe ô tô điện ZERO, nguyên mẫu là xe ô tô điện Sanyo SGC-BT5A Đây là loại xe ô tô điện có tốc độ khá thấp (dưới 20km/h), thường được dùng cho mục đích di chuyển trong những khu vực nhỏ, biệt lập như khu du lịch, biệt thự, resort, sân golf Xe có khả năng chở 4 người kèm theo hành lý.
Về thông số cấu tạo, xe điện Sanyo SGC-BT5A có trọng lượng không tải là 570kg, khả năng chở nặng khoảng 960kg Xe được trang bị động cơ điện một chiều loại kích từ độc lập, với điện áp hoạt động là 72V, phát ra công suất 3,6kW, dẫn động cầu sau Vì vậy, trên xe được trang bị 2 nguồn pin, một nguồn gồm 6 ắc quy 12V-150Ah mắc nối tiếp để cấp nguồn cho động cơ điện hoạt động, nguồn còn lại là một ắc quy 12V-60Ah để cung cấp năng lượng cho các hệ thống phụ tải như các hộp tín hiệu, hộp điều khiển, hệ thống đèn, hệ thống tín hiệu, còi…
Ngoài ra, xe còn được trang bị hệ thống cảm biến để chạy tự động, hệ thống an toàn khi đâm đụng và hệ thống sạc tự ngắt, giúp bảo vệ nguồn pin và đem lại an toàn cho xe khi đang sạc.
Hình 3.1: Xe điện Sanyo SGC-BT5A
Hình 3.2: Thiết kế ở khu vực hàng ghế trước của xe 3.2
Cấu tạo tổng quát của xe và sơ đồ mạch điện tổng quát
Hình 3.3: Sơ đồ khối xe điện ZEROChú thích:
7: Cổng sạc điện xoay chiều 200-240V,50Hz;
8: Hộp tín hiệu và an toàn;
9: Bộ điều khiển mô tơ trợ lực lái, mô tơ phanh khẩn cấp;
10: Hộp chìa khóa và còi;
12: Mô tơ phanh khẩn cấp;
15: Cản trước tích hợp nhận biết va chạm
Dựa vào sơ đồ khối cấu tạo xe điện và trải qua quá trình khảo sát, mạch điện tổng quát trên xe ZERO được thể hiện qua các hình bên dưới.
Hình 3.4: Sơ đồ mạch điện tổng quát (1a)
Hình 3.6: Sơ đồ mạch điện tổng quát (1c)
Hình 3.7: Sơ đồ mạch điện tổng quát (1d)
Hình 3.8: Sơ đồ mạch điện tổng quát (1e)
Hình 3.9: Số chân tại các giắc cái
Hình 3.10: Số chân tại các giắc cái (tiếp theo)
3.3 Các hộp điều khiển quan trọng trên xe
3.3.1 Hộp tín hiệu và an toàn
Hộp tín hiệu và an toàn gồm một mạch điện lớn có những chức năng sau:
-Nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc, công tắc bàn đạp phanh, công tắc bàn đạp tăng tốc, công tắc tiến-lùi để xử lý, sau đó truyền tín hiệu về bộ điều khiển động cơ để điều khiển động cơ.
-Truyền tín hiệu đến bộ sạc để bật, ngắt chế độ sạc tùy theo xe đã mở chìa khóa hay chưa.
-Nhận tín hiệu từ cụm công tắc đâm đụng để điều khiển motor phanh khẩn cấp, ngắt tín hiệu bàn đạp tăng tốc và truyền tín hiệu đến bộ điều khiển động cơ để ngắt dòng điện đến động cơ khi có đâm đụng, đảm bảo an toàn cho xe, người và các tài sản khác.
-Nhận tín hiệu mở khóa từ hộp chìa khóa và còi để mở hoặc khóa trợ lực lái điện và truyền tín hiệu điều khiển còi thông báo khi xe lùi, khởi động xe sai cách, khi đâm đụng, khi hết pin, khi có vấn đề về sạc.
Hộp tín hiệu và an toàn đóng vai trò cực kì quan trọng trên xe, được xem như bộ não để nhận, xử lý và truyền tín hiệu điều khiển đến các hộp, cơ cấu chấp hành khác Nếu một trong các giắc hoặc dây dẫn nào thuộc bất kì hệ thống nào trên xe bị đứt, hở làm cho hộp bị thiếu tín hiệu, hộp sẽ lập tức gửi tín hiệu cảnh báo lỗi
Hình 3.11: Bên trong hộp tín hiệu và an toàn
Hộp tín hiệu và an toàn
Hình 3.12: Vị trí lắp đặt trên xe
Bởi vì đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm, hộp tín hiệu và an toàn bao gồm rất nhiều đường dây điện đóng vai trò là dây truyền hoặc dẫn tín hiệu điện Trong đó, các dây có vai trò là dây nguồn từ bình ắc quy 12V cung cấp cho hộp được hàn trực tiếp vào mạch PCB Tất cả các dây dẫn còn lại ở hộp thì được kết nối bằng các giắc cắm, mỗi giắc sẽ gồm cụm các dây dẫn có cùng chức năng hoặc đi đến cùng một cơ cấu chấp hành.
Hình 3.13: Sơ đồ bố trí giắc trên hộp tín hiệu và an toàn
Cụ thể, giắc A sẽ gồm các dây nguồn từ bình ắc quy đến cung cấp cho hộp và các dây nguồn cho motor phanh khẩn cấp, motor trợ lực lái Giắc B sẽ gồm tất cả các dây tín hiệu từ công tắc chìa khóa, công tắc bàn đạp tăng tốc, tín hiệu cảm biến tốc độ, tín hiệu bàn đạp tăng tốc,… Giắc C gồm các dây để điều khiển motor phanh khẩn cấp, motor trợ lực lái, công tắc tổng của xe,… Giắc D gồm các dây tín hiệu từ cổng sạc 220V Giắc E gồm các dây cung cấp tín hiệu đến hộp chìa khóa và còi, hộp điều khiển động cơ,…
Hầu hết các tín hiệu về hộp tín hiệu và an toàn đều là tín hiệu điện áp 5V, tùy thuộc vào loại công tắc thường đóng hay thường mở mà khi công tắc thay đổi trạng thái, hộp sẽ biết được tín hiệu và thực hiện xử lý cũng như điều khiển các hệ thống liên quan Riêng tín hiệu từ cảm biến chân ga trả về hộp là tín hiệu điện áp nằm trong khoảng giá trị 0-4,3V (xe chưa chạy hết công suất), tín hiệu cảm biến tốc độ động cơ dạng xung PWM giá trị từ 0-4,5V, tín hiệu cảm biến nhiệt độ động cơ và cảm biến nhiệt độ pin khi sạc khi đo điện trở có giá trị từ 0,1-0,3Ω).
Hình 3.14: Sơ đồ mạch điện hộp tín hiệu và an toàn (1a)
-Charging switch : công tắc sạc.
-Forward-Reverse switch : công tắc tiến-lùi.
-Power switch : công tắc tổng mạch.
-220V charging port : cổng sạc pin 220 volt.
-Key-Battery level box : hộp chìa khóa, hiển thị mức pin và chế độ lái.
-Motor control box : hộp điều khiển motor.
Hình 3.15: Sơ đồ mạch điện hộp tín hiệu và an toàn (1b)
-Combination motor assembly : cụm motor.
-Emergency braking system : hệ thống phanh khẩn cấp.
Hình 3.16: Sơ đồ mạch điện hộp tín hiệu và an toàn (1c)
- Accelerator-Brake pedal assembly : cụm công tắc và tín hiệu bàn đạp ga- bàn đạp phanh.
-Lock steering module : module khóa vô lăng.
-Electronic power steering system : hệ thống trợ lực lái điện.
3.3.2 Hộp chìa khóa và còi
Hộp sẽ bao gồm một chìa khóa để chuyển giữa chế độ chạy tự động hoặc chạy thông thường (trên xe ZERO chỉ áp dụng chế độ chạy thông thường), còi để phát ra âm thanh khi nhấn còi, khi lùi và khi có lỗi xảy ra trên xe Ngoài ra, hộp còn có đèn báo mức pin và đèn hiển thị các chế độ chạy của xe. Đèn báo chế độ chạy Đèn báo mức pin
Chìa khóa Công tắc tổng
Hình 3.17: Vị trí lắp hộp chìa khóa và còi Đối với đèn báo mức pin sẽ được chia thành 4 mức độ năng lượng mà nguồn pin 72V cung cấp cho động cơ hoạt động Hàng chữ trong vùng màu đỏ mang ý nghĩa là chế độ lái tự động, khi vặn chìa khóa sang vùng màu đỏ, đèn đỏ sẽ sáng, xe sẽ chạy ở chế độ tự động, nhưng vì xe đã được tháo gỡ hệ thống các cảm biến phục vụ cho chế độ này nên ở thời điểm hiện tại, xe không thể chạy tự động và sẽ có âm thanh cảnh báo lỗi khi vặn chìa khóa sang vị trí chế độ lái tự động. Ởvùng chữ màu xanh có ý nghĩa là chế độ lái bằng tay, tức là con người sẽ hoàn toàn điều khiển chiếc xe, khi chìa khóa ở chế độ này, đèn ở vùng màu xanh sẽ sáng lên để giúp người lái biết được là đang ở chế độ lái nào.
Hàng chữ trong vùng màu đen ở hàng thứ 4 mang ý nghĩa là chế độ cảnh báo khi phát hiện lỗi Khi chế độ phát hiện lỗi ở trạng thái bình thường thì đèn luôn sáng.Khi đó, nếu có bất kì giắc nối, dây dẫn bị hở, bị đứt hoặc thiết bị chấp hành nào bị hư hỏng, không đưa được tín hiệu về cho hộp tín hiệu và an toàn, lúc này, hộp chìa khóa sẽ
3.3.3 Hộp điều khiển động cơ
Hộp điều khiển động cơ có nhiệm vụ chính là nhận và truyền nguồn điện 72V đến động cơ điện Đồng thời, hộp cũng đóng vai trò thiết bị bảo vệ động cơ khi bên trong hộp có cả cầu chì với dòng 200A và công tắc tơ điện từ Ngoài ra, hộp còn nhận các tín hiệu từ hộp tín hiệu và an toàn để điều chỉnh dòng điện được cung cấp cho động cơ điện hoạt động.
Hộp điều khiển động cơ
Các hộp điều khiển quan trọng trên xe
3.3.1 Hộp tín hiệu và an toàn
Hộp tín hiệu và an toàn gồm một mạch điện lớn có những chức năng sau:
-Nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc, công tắc bàn đạp phanh, công tắc bàn đạp tăng tốc, công tắc tiến-lùi để xử lý, sau đó truyền tín hiệu về bộ điều khiển động cơ để điều khiển động cơ.
-Truyền tín hiệu đến bộ sạc để bật, ngắt chế độ sạc tùy theo xe đã mở chìa khóa hay chưa.
-Nhận tín hiệu từ cụm công tắc đâm đụng để điều khiển motor phanh khẩn cấp, ngắt tín hiệu bàn đạp tăng tốc và truyền tín hiệu đến bộ điều khiển động cơ để ngắt dòng điện đến động cơ khi có đâm đụng, đảm bảo an toàn cho xe, người và các tài sản khác.
-Nhận tín hiệu mở khóa từ hộp chìa khóa và còi để mở hoặc khóa trợ lực lái điện và truyền tín hiệu điều khiển còi thông báo khi xe lùi, khởi động xe sai cách, khi đâm đụng, khi hết pin, khi có vấn đề về sạc.
Hộp tín hiệu và an toàn đóng vai trò cực kì quan trọng trên xe, được xem như bộ não để nhận, xử lý và truyền tín hiệu điều khiển đến các hộp, cơ cấu chấp hành khác Nếu một trong các giắc hoặc dây dẫn nào thuộc bất kì hệ thống nào trên xe bị đứt, hở làm cho hộp bị thiếu tín hiệu, hộp sẽ lập tức gửi tín hiệu cảnh báo lỗi
Hình 3.11: Bên trong hộp tín hiệu và an toàn
Hộp tín hiệu và an toàn
Hình 3.12: Vị trí lắp đặt trên xe
Bởi vì đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm, hộp tín hiệu và an toàn bao gồm rất nhiều đường dây điện đóng vai trò là dây truyền hoặc dẫn tín hiệu điện Trong đó, các dây có vai trò là dây nguồn từ bình ắc quy 12V cung cấp cho hộp được hàn trực tiếp vào mạch PCB Tất cả các dây dẫn còn lại ở hộp thì được kết nối bằng các giắc cắm, mỗi giắc sẽ gồm cụm các dây dẫn có cùng chức năng hoặc đi đến cùng một cơ cấu chấp hành.
Hình 3.13: Sơ đồ bố trí giắc trên hộp tín hiệu và an toàn
Cụ thể, giắc A sẽ gồm các dây nguồn từ bình ắc quy đến cung cấp cho hộp và các dây nguồn cho motor phanh khẩn cấp, motor trợ lực lái Giắc B sẽ gồm tất cả các dây tín hiệu từ công tắc chìa khóa, công tắc bàn đạp tăng tốc, tín hiệu cảm biến tốc độ, tín hiệu bàn đạp tăng tốc,… Giắc C gồm các dây để điều khiển motor phanh khẩn cấp, motor trợ lực lái, công tắc tổng của xe,… Giắc D gồm các dây tín hiệu từ cổng sạc 220V Giắc E gồm các dây cung cấp tín hiệu đến hộp chìa khóa và còi, hộp điều khiển động cơ,…
Hầu hết các tín hiệu về hộp tín hiệu và an toàn đều là tín hiệu điện áp 5V, tùy thuộc vào loại công tắc thường đóng hay thường mở mà khi công tắc thay đổi trạng thái, hộp sẽ biết được tín hiệu và thực hiện xử lý cũng như điều khiển các hệ thống liên quan Riêng tín hiệu từ cảm biến chân ga trả về hộp là tín hiệu điện áp nằm trong khoảng giá trị 0-4,3V (xe chưa chạy hết công suất), tín hiệu cảm biến tốc độ động cơ dạng xung PWM giá trị từ 0-4,5V, tín hiệu cảm biến nhiệt độ động cơ và cảm biến nhiệt độ pin khi sạc khi đo điện trở có giá trị từ 0,1-0,3Ω).
Hình 3.14: Sơ đồ mạch điện hộp tín hiệu và an toàn (1a)
-Charging switch : công tắc sạc.
-Forward-Reverse switch : công tắc tiến-lùi.
-Power switch : công tắc tổng mạch.
-220V charging port : cổng sạc pin 220 volt.
-Key-Battery level box : hộp chìa khóa, hiển thị mức pin và chế độ lái.
-Motor control box : hộp điều khiển motor.
Hình 3.15: Sơ đồ mạch điện hộp tín hiệu và an toàn (1b)
-Combination motor assembly : cụm motor.
-Emergency braking system : hệ thống phanh khẩn cấp.
Hình 3.16: Sơ đồ mạch điện hộp tín hiệu và an toàn (1c)
- Accelerator-Brake pedal assembly : cụm công tắc và tín hiệu bàn đạp ga- bàn đạp phanh.
-Lock steering module : module khóa vô lăng.
-Electronic power steering system : hệ thống trợ lực lái điện.
3.3.2 Hộp chìa khóa và còi
Hộp sẽ bao gồm một chìa khóa để chuyển giữa chế độ chạy tự động hoặc chạy thông thường (trên xe ZERO chỉ áp dụng chế độ chạy thông thường), còi để phát ra âm thanh khi nhấn còi, khi lùi và khi có lỗi xảy ra trên xe Ngoài ra, hộp còn có đèn báo mức pin và đèn hiển thị các chế độ chạy của xe. Đèn báo chế độ chạy Đèn báo mức pin
Chìa khóa Công tắc tổng
Hình 3.17: Vị trí lắp hộp chìa khóa và còi Đối với đèn báo mức pin sẽ được chia thành 4 mức độ năng lượng mà nguồn pin 72V cung cấp cho động cơ hoạt động Hàng chữ trong vùng màu đỏ mang ý nghĩa là chế độ lái tự động, khi vặn chìa khóa sang vùng màu đỏ, đèn đỏ sẽ sáng, xe sẽ chạy ở chế độ tự động, nhưng vì xe đã được tháo gỡ hệ thống các cảm biến phục vụ cho chế độ này nên ở thời điểm hiện tại, xe không thể chạy tự động và sẽ có âm thanh cảnh báo lỗi khi vặn chìa khóa sang vị trí chế độ lái tự động. Ởvùng chữ màu xanh có ý nghĩa là chế độ lái bằng tay, tức là con người sẽ hoàn toàn điều khiển chiếc xe, khi chìa khóa ở chế độ này, đèn ở vùng màu xanh sẽ sáng lên để giúp người lái biết được là đang ở chế độ lái nào.
Hàng chữ trong vùng màu đen ở hàng thứ 4 mang ý nghĩa là chế độ cảnh báo khi phát hiện lỗi Khi chế độ phát hiện lỗi ở trạng thái bình thường thì đèn luôn sáng.Khi đó, nếu có bất kì giắc nối, dây dẫn bị hở, bị đứt hoặc thiết bị chấp hành nào bị hư hỏng, không đưa được tín hiệu về cho hộp tín hiệu và an toàn, lúc này, hộp chìa khóa sẽ
3.3.3 Hộp điều khiển động cơ
Hộp điều khiển động cơ có nhiệm vụ chính là nhận và truyền nguồn điện 72V đến động cơ điện Đồng thời, hộp cũng đóng vai trò thiết bị bảo vệ động cơ khi bên trong hộp có cả cầu chì với dòng 200A và công tắc tơ điện từ Ngoài ra, hộp còn nhận các tín hiệu từ hộp tín hiệu và an toàn để điều chỉnh dòng điện được cung cấp cho động cơ điện hoạt động.
Hộp điều khiển động cơ
Hình 3.18: Vị trí lắp đặt hộp điều khiển động cơ Đầu vào của hộp gồm 2 dây nguồn với kích thước lớn, được cấp từ hệ thống 6 ắc quy 12V, tạo thành nguồn điện một chiều 72V Ngoài ra, đầu vào của hộp còn có 2 dây dẫn khác từ hộp sạc đến, giúp cung cấp nguồn điện sạc cho hệ thống pin 72V.
Hình 3.19: Dây nguồn vào hộp điều khiển động cơ
Hình 3.20: Các dây dẫn cung cấp nguồn cho động cơ điện
Bộ điều khiển động cơ
Các dây nguồn đến động cơ
Công tắc tơ điện từ
Hình 3.21: Các bộ phận quan trọng bên trong hộp
Xét về cấu tạo, hộp điều khiển động cơ gồm 3 bộ phận đóng vai trò quan trọng bao gồm: cầu chì, công tắc tơ điện từ và bộ điều khiển động cơ.
Hình 3.22: Cấu tạo hộp điều khiển động cơ
Về cầu chì, do dòng điện điều khiển dưới 400A nên hộp điều khiển động cơ sử dụng loại cầu chì 200A Cầu chì được mắc nối tiếp với dây dương nguồn và sau đó đi đến công tắc tơ điện từ.
Hình 3.23: Cầu chì 200A sử dụng trên xe
Công tắc tơ sử dụng bên trong hộp là loại công tắc tơ điện từ dùng relay, thường được sử dụng trong các mạch phải sử dụng nguồn tải điện lớn Bởi vì trên xe sử dụng nguồn loại bình ắc quy có thông số dòng điện là 80Ah được mắc nối tiếp, nên tổng dòng điện tại nguồn pin 72V sẽ là 80Ah Vì lí do này nên hộp phải sử dụng công tắc tơ điện từ để đóng và ngắt mạch điện, bảo vệ an toàn cho động cơ điện trong trường hợp xảy ra ngắn mạch hoặc bất bình thường trong hệ thống điện.
Các bộ phận liên quan đến hệ thống an toàn trên xe
Motor phanh khẩn cấp được dùng trên xe là loại motor điện một chiều, sử dụng điện áp 12V được cung cấp từ ắc quy để hoạt động.
Hình 3.47: Motor phanh khẩn cấp
Vị trí lắp đặt motor phanh khẩn cấp nằm ở phần đầu xe Trục ở đầu ra của motor sẽ được kết nối với một đòn bẩy, đòn bẩy này được liên kết với hệ thống phanh Khi motor hoạt động thì sẽ thay nhiệm vụ của bàn đạp phanh để tác động trực tiếp lên hệ thống phanh.
Các chế độ hoạt động của motor phanh khẩn cấp:
-Chế độ khởi động xe: Khi vừa bật công tắc tổng và chìa khóa bật ở chế độ lái thường, hộp tín hiệu và an toàn sẽ gửi tín hiệu đến motor phanh khẩn cấp, motor sẽ hoạt động khoảng 5 giây, sau đó dừng hoạt động và cho phép người lái có thể đạp ga để di chuyển xe.
- Chế độ khi bị va chạm: Trong trường hợp xe bị va chạm ở phía trước, hệ thống an toàn khi đâm đụng sẽ đưa tín hiệu về hộp tín hiệu và an toàn Lúc này, hộp tín hiệu và an toàn sẽ thực hiện đồng thời các hoạt động: ngắt tín hiệu công tắc bàn đạp tăng tốc; cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc; phát ra điện áp 12V đưa đến motor phanh khẩn cấp giúp xe phanh kịp thời. về hộp tín hiệu và an toàn bị sai lệch hoặc hộp không nhận được tín hiệu, motor phanh khẩn cấp sẽ được kích hoạt nếu xe chạy quá tốc độ 5km/h.
3.4.2 Hệ thống an toàn khi đâm đụng Đây là một hệ thống an toàn giúp bảo vệ người trên xe khi xe có xảy ra va chạm với bất kỳ chướng ngại vật nào phía trước Sẽ có tùy chọn kích hoạt chế độ hoạt động hoặc không hoạt động thông qua công tắc ON-OFF.
Hình 3.48: Vị trí đặt công tắc an toàn
-Ở chế độ OFF: công tắc ở vị trí OFF, hệ thống an toàn khi đâm đụng không hoạt động Vì vậy, nếu có xảy ra va chạm ở phía đằng trước, xe sẽ bị thiệt hại và người ngồi trên xe sẽ không được bảo vệ an toàn.
- Ở chế độ ON: công tắc ở vị trí ON, hệ thống an toàn khi đâm đụng hoạt động, khi xảy ra va chạm ở phía trước thì hệ thống an toàn sẽ hoạt động kèm âm thanh cảnh báo.
Hệ thống an toàn khi đâm đụng sử dụng 6 công tắc hành trình loại thường mở, được gắn ở cản trước của xe Phía bên trái bao gồm 3 công tắc hành trình được mắc nối tiếp với nhau, giúp đảm bảo khi có bất kỳ va chạm nào ở khu vực nửa bên mạn trái của xe cũng sẽ đều có tín hiệu để gửi về hộp tín hiệu và an toàn, tương tự đối với bên phải của xe.
Khi bất kỳ công tắc hành trình nào bị đóng lại (cản xe đâm vào vật cản), tín hiệu đóng mạch được gửi về hộp tín hiệu và an toàn, khi đó, hộp tín hiệu và an toàn sẽ đưa tín hiệu đến hộp chìa khóa và còi làm phát ra âm thanh cảnh báo cho người lái, đồng thời hộp tín hiệu và an toàn cũng xử lý ngắt tín hiệu chân ga (mặc dù vẫn đạp ga), giúp cho xe đứng yên và không thể tiếp tục di chuyển Chỉ khi nào không có bất kỳ công tắc hành tình nào bị đóng lại thì mới không còn âm thanh cảnh báo và xe mới có thể di chuyển tiếp tục.
Hình 3.49: Các công tắc được lắp ở cản trước của xe
Khi công tắc an toàn ở vị trí ON, hệ thống an toàn có hoạt động, nếu có bất kỳ công tắc nào đóng lại, tín hiệu đóng mạch sẽ gửi về hộp tín hiệu Lúc này, hộp tín hiệu sẽ kích hoạt motor phanh khẩn cấp, motor sẽ tác động trực tiếp lên hệ thống phanh giúp dừng xe ngay lập tức Ngoài ra, đầu ra của motor có đi qua một bộ giảm tốc, giúp giới hạn tốc độ và tăng momen quay của motor Motor chỉ quay được 1 góc khoảng 45º, ở 2 phía cạnh mà motor có thể chạm đến sẽ được lắp 2 công tắc hành trình loại thường mở Nguyên lý hoạt động của cụm motor và công tắc này sẽ là ở trạng thái motor không hoạt động, công tắc ở phía trên trong sẽ bị cánh tay đòn được lắp với trục của motor ép vào làm đóng công tắc, lúc này công tắc phía bên ngoài sẽ luôn hở Khi motor được kích hoạt, cánh tay đòn sẽ quay ra phía ngoài và ép vào công tắc bên ngoài, làm đóng công tắc phía ngoài và hở công tắc bên trong. Trong trường hợp 2 công tắc bị đảo ngược tín hiệu, nghĩa là khi motor được kích hoạt mà công tắc bên trong vẫn còn đóng thì motor không hoạt động tiếp, hoặc là motor hoạt động nhưng công tắc phía ngoài đã thông mạch, thì motor sẽ không hoạt động tiếp Cách đấu dây giữa các công tắc với nhau, giữa công tắc với công tắc an toàn và cụm motor phanh khẩn cấp sẽ được thể hiện chi tiết qua hình 3.51.
Hình 3.51: Cụm công tắc và trục đầu ra của motor phanh khẩn cấp
Hình 3.52: Sơ đồ mạch điện hệ thống an toàn khi va chạm
-Signal box : hộp tín hiệu
-Safety switch : công tắc an toàn
-Emergency braking motor : motor phanh khẩn cấp
Quy trình khởi động xe cũng rất đơn giản, chỉ cần mở công tắc tổng mạch, và để mặc định chìa khóa ở chế độ lái bằng tay Lúc này, nguồn điện sẽ được cung cấp đến hộp tín hiệu và an toàn, từ đó hộp tín hiệu sẽ gửi tín hiệu đến hộp điều khiển động cơ Khi ta đạp bàn đạp tăng tốc, công tắc tơ sẽ đóng lại, cho phép nguồn điện 72V với dòng lớn có thể đi qua và đi đến động cơ.
Chìa khóa Công tắc tổng mạch
Hình 3.53: Vị trí công tắc tổng mạch và chìa khóa
Khi khởi động xe, nghĩa là chìa khóa ở vị trí chế độ lái bằng tay và công tắc tổng mạch được mở, motor phanh khẩn cấp cũng được kích hoạt và hoạt động trong vòng 5 giây Điều này mang ý nghĩa rằng khi vừa mới khởi động xe, hộp tín hiệu và an toàn sẽ phải kiểm tra tất cả tín hiệu từ các hộp liên quan và các cơ cấu chấp hành, khi đó, phanh sẽ được motor phanh khẩn cấp tác động để giúp xe đứng yên trong quá trình hộp tín hiệu đang kiểm tra Trong trường hợp các dây tín hiệu bị đứt, hở giắc, cơ cấu chấp hành bị hỏng làm cho hộp tín hiệu bị thiếu tín hiệu, hộp sẽ lập tức gửi tín hiệu đến còi với âm thanh cảnh báo khác nhau tùy theo tình trạng lỗi đang gặp phải.
Nhờ vậy mà trước khi xe bắt đầu di chuyển thì sẽ có hệ thống an toàn vừa giúp xe đứng yên và vừa kiểm tra tổng thể các tín hiệu để đưa ra cảnh báo kịp thời, tránh trường hợp mất an toàn trong quá trình di chuyển khi hệ thống điện trên xe có xảy ra hư hỏng.
Ngoài ra, trên xe còn lắp đặt hộp khóa vô lăng, hộp sẽ hoạt động khi ta vặn chìa khóa sang chế độ lái tự động và tắt công tắc tổng mạch Khi đó, vô lăng sẽ bị khóa cứng, để mở khóa vô lăng, việc cần làm là vặn chìa khóa sang chế độ lái bằng tay, rồi sau đó mở công tắc tổng mạch, vô lăng sẽ được mở khóa và xe có thể di chuyển.
Hình 3.54: Vị trí lắp hộp khóa vô lăng
Hình 3.55: Mạch điện bên trong hộp khóa vô lăng
Nguyên lý hoạt động của cụm khóa vô lăng cũng khá đơn giản, khi motor không khóa vô lăng, công tắc 1 sẽ bị đóng lại, công tắc 2 bị hở Ngược lại, khi motor quay để khóa cứng vô lăng, công tắc 1 bị hở, công tắc 2 đóng Các tín hiệu từ
2 công tắc sẽ gửi về hộp tín hiệu và an toàn để có thể điều khiển motor khóa vô lăng, nếu bị thiếu 1 tỏng 2 tín hiệu, hoặc cả 2 từ công tắc, motor khóa vô lăng sẽ không hoạt động do hộp tín hiệu và an toàn bị thiếu tín hiệu nên không thể gửi tín
GND B+GND GND Power key
Hình 3.56: Sơ đồ mạch điện hệ thống khởi động (1a)
-Signal box : hộp tín hiệu và an toàn.
-Power switch : công tắc tổng mạch.
Hình 3.57: Sơ đồ mạch điện hệ thống khởi động (1b)
- Lock steering module : mođun khóa vô lăng.
- Emergency braking system : hệ thống phanh khẩn cấp.
- Signal box : hộp tín hiệu và an toàn.
Hình 3.58: Sơ đồ mạch điện hệ thống khởi động (1c)
-Signal box : hộp tín hiệu và an toàn
-Motor control box : hộp điều khiển động cơ
-Key-Battery level box : hộp chìa khóa và còi
