4.1 Phanh tái sinh trên xe điện
Phanh là một trong những hệ thống quan trọng của xe. Hệ thống phanh cơ mà chúng ta sử dụng trên xe của mình có một nhược điểm lớn là lãng phí động năng của xe dưới dạng nhiệt. Điều này làm giảm hiệu suất tổng thể của xe do ảnh hưởng đến khả năng tiết kiệm. Trong chu trình lái xe trong đơ thị, chúng ta có xu hướng khởi động và dừng xe thường xuyên hơn so với chu trình lái xe trên đường cao tốc.
Khi chúng ta đạp phanh thường xuyên trong chu trình lái xe trong đô thị, năng lượng mất đi sẽ nhiều hơn. Phanh tái sinh ra đời để giải quyết vấn đề đó. Nó cho phép chuyển động năng của xe trở lại thành năng lượng điện trong quá trình phanh (giảm tốc hoặc chạy xuống dốc). Năng lượng điện chuyển đổi được lưu trữ trong các thiết bị lưu trữ năng lượng như ắc quy, siêu tụ điện,… để mở rộng phạm vi lái xe lên đến 10%.
Hình 4.1:Phanh tái sinh trên xe điện
Nhìn chung, xe điện thường được trang bị hệ thống phanh hỗn hợp tái sinh-thủy lực. Bất cứ khi nào moment phanh tái sinh không đủ để cung cấp cùng tốc độ giảm tốc như ở các phương tiện thông thường, moment phanh thủy lực sẽ được áp dụng. Việc kiểm soát sự phân phối của chúng, nhằm mục đích cung cấp cho người lái cảm giác phanh giống như cảm giác phanh trên các phương tiện thơng thường trong khi vẫn duy trì khả năng phanh phục hồi tối đa.
100
4.2 Phân loại phanh tái sinh
Hệ thống phanh tái sinh ở hầu hết các nơi trên thế giới được quy định bởi Ủy Ban Kinh tế Liên Hợp Quốc đối với Châu Âu (UNECE, 2011) cung cấp, có đề cập 'Quy định 13H - Thỏa thuận liên quan đến việc áp dụng các kỹ thuật với phương tiện có bánh hoặc thiết bị và bộ phận có thể được lắp và sử dụng trên phương tiện có bánh'.
Quy định 13H đã đề cập đến hai loại hệ thống phanh sinh:
'Loại A' là hệ thống phanh tái sinh không chung cơ cấu với hệ thống phanh, thường là phanh tái sinh được đưa vào khi nhả bàn đạp ga, điều này giới hạn việc sử dụng chúng. Khi người lái thực hiện 'ngắt ga', năng lượng thường cung cấp cho các phụ kiện của động cơ như: máy nén của hệ thống điều hịa khơng khí hoặc bơm trợ lực lái, …
'Loại B' là hệ thống tạo thành một phần của hệ thống phanh truyền thống và cũng có thể đáp ứng các yêu cầu của hệ thống loại A - nghĩa là chúng có thể được kích hoạt bởi việc 'ngắt ga'. Hệ thống loại B có thể được kích hoạt đồng thời với phanh nền (đồng thời hoặc song song), hoặc trước hoặc sau phanh nền (tuần tự hoặc nối tiếp).
4.3 Nguyên lý hoạt động của phanh tái sinh
Khi phanh được vận hành (trong quá trình lái xe), bộ điều khiển xe điện (VCU hoặc EVC đối với ZOE) sau khi nhận tín hiệu đầu vào từ cảm biến vị trí bàn đạp sẽ có nhiệm vụ tính tốn lực phanh tái sinh và lực phanh thủy lực phù hợp để tạo ra lực phanh cần thiết, sau đó gửi kết quả đến BCU và MCU (hoặc PEB đối với ZOE) để giảm tốc độ xe. Lúc này, bộ biến tần động cơ điện sẽ sử dụng động cơ như một máy phát để thực hiện quá trình phanh tái sinh.
101
Hình 4.2:Nguyên lý hoạt động của phanh tái sinh
Trong đó:
Đường tín hiệu điều khiển.
Đường dẫn dầu của phanh thuỷ lực. Đường truyền cơ khí
Cảm biến hành trình.
Cảm biến áp suất. Van điều khiển
Khi ở giai đoạn đầu của phanh, tốc độ quay của bánh xe còn đủ lớn, máy phát điện sẽ chuyển năng lượng quay của bánh xe thành điện năng. Lúc này, khi Rotor quay, dòng điện có chiều ngược lại xuất hiện trong cuộn dây của nó và cuộn dây stato. Sự tương tác của các dòng điện này gây ra hiện tượng hãm Rotor. Trên trục động cơ xảy ra một mô- men hãm làm giảm tốc độ ô tô.
102 Giai đoạn thứ hai hiệu quả của phanh sẽ cao hơn. Trong điều kiện giảm tốc của ô tô về tốc độ 0, lúc này phanh cần sử dụng lực cản do ma sát. Đó là, hệ thống phanh thủy lực thơng thường phát huy tác dụng. Hệ thống kiểm soát phanh BCU phải liên tục xác định gia tốc giảm tốc phải là bao nhiêu khi người dùng nhấn bàn đạp phanh và hệ thống nào nên được sử dụng theo tỷ lệ nào để tiết kiệm năng lượng nhất có thể và giảm tốc tỷ lệ thuận với lực tác dụng vào bàn đạp
4.4 Sự khác nhau giữa D-mode và B-mode
4.4.1 Phanh tái sinh tại D-mode
Đối với hệ thống phanh tái sinh truyền thống (D-mode), thì phanh tái sinh chỉ được áp dụng trên bàn đạp phanh. Lúc này, khi người lái đạp bàn đạp phanh, thì ngồi moment sinh ra để phanh thì cũng có nguồn năng lượng được thu hồi về giúp xe tiết kiệm nguồn năng lượng hao phí. Ở một pham vi nhất định, thì năng lượng thu hồi về sẽ tỉ lệ thuận với bàn đạp phanh.
Hình 4.3:Cấu trúc phanh tái sinh thông thường (D mode)
Lúc này khi hệ thống nhận được tín hiệu hành trình phanh do cảm biến bàn đạp phanh gửi về VCU (EVC đối với ZOE), tuỳ theo mức độ hành trình của bản đạp phanh mà chia làm các chế độ:
- Khi hành trình bàn đạp phanh cịn thấp, hệ thống sẽ thực hiện phanh tái sinh cho 2 bánh dẫn động bằng động cơ điện, 2 bánh còn lại sẽ được phanh bằng cơ cấu thuỷ lực.
103 - Khi hành trình phanh vượt ngưỡng quy định, thì lúc này 4 bánh của xe cần được phanh bằng cơ cấu phanh thuỷ lực, phanh tái sinh ở 2 bánh chủ động lúc này sẽ là tối đa.
- Nếu hành trình bàn đạp phanh thay đổi vượt quá ngưỡng quy đinh trong thời gian ngắn (đột ngột) vì lý đo an toàn, thời gian và quãng đường phanh cần ngắn nhất có thể, do đó lượng tái sinh thu lại khơng đáng kể nên trong trường hợp này sẽ không can thiệp phanh tái sinh.
Hình 4.4:Sự phân phối moment giữa phanh tái sinh – thủy lực
4.4.2 Phanh tái sinh tại B-mode
Trong chế độ này, hệ thống chỉ điều khiển bàn đạp ga. Thông thường bàn đạp ga được dùng để điều khiển moment xoắn của động cơ. Khi xe thực hiện tăng hoặc giảm tốc do người lái đạp hoặc nhả bàn đạp ga. Tương ứng với moment xoắn của động cơ lúc này
104 là moment dẫn động hoặc moment hãm. Do đó, độ lớn và hướng của moment động cơ lúc này sẽ phụ thuộc và hành trình bàn đạp ga.
Hình 4.5:Cấu trúc phanh tái sinh trên bàn đạp ga (B mode)
Hình 4.6:Nguyên lý phân bố lực phanh của chế độ (B mode)
Lúc này hệ thống sẽ ghi nhận hành trình của bàn đạp ga sẽ chia làm 3 phần:
- Khi nhấn bàn đạp ga ở 1 khoảng nhất định xe sẽ hiểu rằng tài xế đang muốn cho xe di chuyển ở 1 dãy tốc không đổi, nên lúc này phanh tái sinh sẽ không hoạt động.
- Khi tài xế nhấn mạnh chân ga lúc này xe sẽ hiểu rằng đang trong chế độ tăng tốc lúc này năng lượng sẽ tập trung để kéo xe.
- Khi nhả bản đạp ga hệ thống lúc này sẽ nhận tín hiệu rằng tài xế đang muốn giảm tốc độ của xe. Tuy nhiên do đang đang cài số ở chế độ B nên việc nhả bàn đạp ga sẽ tạo ra lực giảm tốc (tối đa 0,2G) tương đương với việc đạp vào
105 bàn đạp phanh. Nhờ khả năng quản lý động cơ chính xác, hệ thống thậm chí có thể giảm tốc tự động mượt mà khi đang xuống dốc. Sau khi xe dừng hẳn, hệ thống phanh thủy lực sẽ tự động được kích hoạt để giữ cho xe đứng yên. Hệ thống có thể giữ cho xe dừng lại trên dốc (lên đến khoảng 30% cấp độ dốc) theo hướng lên dốc và xuống dốc.
Hình 4.7:a) Chế độ D mode, b) Chế độ B mode
Chế độ phanh truyền thống nên được sử dụng trong quá trình lái xe đường dài, tốc độ cao để tránh mỏi chân do bàn đạp sâu trong thời gian dài trên bàn đạp ga. Chế độ một bàn đạp nên được sử dụng khi lái xe ở nơi đơ thị đơng đúc vì nó làm giảm đáng kể tần suất đạp bàn đạp, đặc biệt là trong thời gian kẹt xe và tắt máy, do đó giúp việc lái xe trở nên dễ dàng. Phong cách lái xe cũng là một yếu tố quan trọng đối với hiệu quả năng lượng của xe và sự thoải mái khi lái xe.
106
Chương 5: MẠNG CAN VÀ CHẨN ĐOÁN CAN TRÊN XE ĐIỆN RENAULT ZOE
5.1 CAN trên ô tô
5.1.1 Giới thiệu về mạng CAN
Controller Area Network (CAN hoặc CAN Bus) là công nghệ mạng giao tiếp hai dây, tốc độ cao. Ban đầu CAN được thiết kế dành cho ngành công nghiệp ô tô với mục tiêu kết nối các bộ điều khiển điện tử (ECU) trong xe. Tuy nhiên, hiện nay CAN cũng đã trở thành một tiêu chuẩn phổ biến trong tự động hóa cơng nghiệp và các ngành khác.
Hình 5.1:Mơ hình mạng CAN trên xe
CAN là một bus truyền thơng nối tiếp (Serial bus) có thể chứa nhiều master để kết nối các ECU như là những Node (nút mạng) trên đường truyền. Cần ít nhất hai node trên đường truyền CAN để có thể giao tiếp. Các node được kết nối với nhau trên một bus vật lý gồm 2 dây xoắn với điện trở 120Ω. Hệ thống bus này xác định mức logic dựa trên sai biệt điện áp.
Các bộ điều khiển điện tử (ECU) giống như các bộ phận của cơ thể, được kết nối với nhau thông qua bus CAN. Thông tin được cảm nhận bởi một bộ phận có thể được
107 chia sẻ với bộ phận khác. Trong hệ thống CAN trên ơ tơ, các ECU có thể là bộ điều khiển động cơ, túi khí, hệ thống âm thanh, v.v… Một chiếc ơ tơ hiện đại có thể có tới hơn 70 ECU và mỗi ECU có thể có thơng tin cần được chia sẻ với các phần khác của mạng. Hệ thống bus CAN cho phép mỗi ECU giao tiếp với tất cả các ECU khác mà không cần đi dây chuyên dụng phức tạp. Cụ thể, một ECU có thể thu nhận và phát thơng tin (ví dụ dữ liệu cảm biến) thơng qua CAN (bao gồm hai dây: CAN LOW và CAN HIGH).
CAN cũng có nhiều loại khác nhau: Single CAN, CAN tốc độ thấp (low speed CAN), CAN tốc độ cao (high speed CAN). Đặc điểm dễ nhận biết của mạng giao tiếp này là 2 dây xoắn với nhau, 2 điện trở 120Ω ở hai đầu đấu song song với nhau.
Dựa trên đặc điểm thông số kỹ thuật của Bosch. Phiên bản 2.0 của CAN được chia thành hai phần:
- CAN tiêu chuẩn (Phiên bản 2.0A): Sử dụng ID (Identifier) 11 bit. - CAN mở rộng (Phiên bản 2.0B): Sử dụng ID 29 bit.
Hai phần được định nghĩa bởi các ID khác nhau của thông điệp, với sự khác biệt chính là độ dài mã ID.
Có hai tiêu chuẩn ISO cho CAN. Sự khác biệt là ở lớp vật lý: ISO 11898 xử lý các ứng dụng tốc độ cao lên đến 1Mbit/giây và ISO 11519 có giới hạn trên là 125Kbit/giây.
5.1.2 Phân loại CAN
5.1.2.1 CAN High-speed (CAN–C)
Tốc độ giao tiếp có thể lên đến 1 Mbps, vì vậy được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống truyền động (Powertrain) yêu cầu trao đổi dữ liệu tốc độ cao. Tín hiệu được truyền trên cặp dây xoắn (differential pair), do đó ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ bên ngồi.
Ngoài ra, theo tiêu chuẩn, chênh lệch điện áp giữa CAN_H và CAN_L là 1.8V, bộ thu phát CAN được điều khiển bởi dòng điện 30mA bằng 2 điện trở kết thúc 120Ω.
108
Hình 5.2:Cấu trúc của CAN High-speed
5.1.2.2 CAN Low-speed (CAN-B)
Tốc độ giao tiếp có thể lên đến 125 Kbps, vì vậy được sử dụng chủ yếu trong các bộ phận hệ thống thân xe (khơng phải động cơ) hay các thiết bị giải trí, tiện ích trên xe nơi mà không yêu cầu trao đổi dữ liệu tốc độ cao.
Thông thường, kết nối bao gồm 2 dây giống như CAN High-speed. Tuy nhiên, khi xảy ra sự cố trong đường truyền, việc giao tiếp có thể tiếp tục chỉ với 1 dây. Điều này là do các dây nối có thể được đặt ở bên ngồi của xe nên có nguy cơ bị hư hỏng. Việc kết nối vẫn có thể tiếp tục chỉ với 1 dây sẽ làm giảm rủi ro khi xảy ra sự cố.
109
5.1.2.3 CAN một dây (Singal CAN Bus)
Ngoài CAN High-speed và CAN Low-speed được mô tả ở trên, cịn có một định nghĩa tiêu chuẩn về cấu trúc lớp vật lý CAN khác, tức là CAN một dây. CAN một dây có thể giảm một đường truyền, nhưng yêu cầu đặc tính nối đất chung tốt giữa các Node (tương đương với đường tín hiệu thứ hai). Khả năng miễn nhiễm tín hiệu của CAN một dây tương đối yếu.
Trong thiết kế, biên độ tín hiệu cần được tăng lên để tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu, do đó làm tăng khả năng bức xạ của chính nó. Do đó, tốc độ truyền tín hiệu phải được giảm xuống để đáp ứng các yêu cầu tương thích điện từ.
Tóm lại, CAN một dây chỉ phù hợp với thiết bị điện tử tốc độ thấp, điều khiển tiện nghi và giải trí. Do tốc độ tín hiệu thấp, bus CAN tốc độ thấp vẫn có thể hoạt động ở chế độ một đường trong trường hợp đường tín hiệu bị lỗi.
110
Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật của CAN High Speed và CAN Low Speed
CAN High-Speed [CAN-C]
CAN Low-Speed [CAN-B]
Singal CAN bus
CAN H CAN L CAN H CAN L CAN bus
Tiêu chuẩn ISO 11898-2 ISO 11898-3, 11519-2 SAE J2411 Tốc độ 125 Kb/s đến 1Mb/s 125 Kb/s 33.3 đến 83.3 Kb/s
Dominant [0] 3.25 V 1.5 V 4 V 1 V 4V
Recessive [1] 2.5 V 2.5 V 1.75V 3.25V 1.75V
Mức điện áp 5V 5V 5V
Cable 2 x 120 Ohm ở 2 đầu Mắc điện trở từng node Tương tự như CAN Low-speed Độ lệch điện áp Độ lệch tối thiểu là
2.0V (Tính từ 3.5V đến 1.5V) - Độ lệch của mức Dominant > 2.3 V - Recessive < 0.6 V Khơng có (do đường truyền 1
dây)
5.1.3 Nguyên lý hoạt động
CAN sử dụng CSMA / CD + AMP. Trước khi gửi thông điệp, nút CAN sẽ kiểm tra xem bus có bận khơng. Nó cũng sử dụng để phát hiện khả năng trùng lặp. Những phương thức này cũng tương tự như Ethernet.
Tuy nhiên, khi một mạng Ethernet phát hiện xung đột, cả hai nút gửi sẽ ngừng truyền. Sau đó, nó đợi một khoảng thời gian trễ ngẫu nhiên trước khi thử gửi lại. Điều này làm cho mạng Ethernet rất nhạy cảm với tải bus cao. Có thể giải quyết vấn đề này với nguyên tắc xác định quyền ưu tiên rất thông minh trong mạng CAN.
Nguyên tắc
Thông điệp dữ liệu được truyền từ bất kỳ nút nào trên bus CAN không chứa địa chỉ của nút truyền hoặc của bất kỳ nút nhận dự kiến nào.
111 Thay vào đó, nội dung của thơng điệp được gắn nhãn bởi một số nhận dạng (ID) là duy nhất trên toàn mạng. Tất cả các nút khác trên mạng đều nhận được thông điệp và mỗi nút thực hiện kiểm tra sự chấp nhận trên mã ID để xác định xem thơng điệp có liên quan đến nút đó hay khơng. Nếu thơng điệp có liên quan, nó sẽ được xử lý, nếu khơng thì nó bị bỏ qua.
Hình 5.5:Mơ hình phát - nhận tín hiệu của ECU thơng qua mạng CAN
5.1.4 Ưu điểm của CAN
Đơn giản, chi phí thấp: bus CAN chỉ có 2 dây giúp kết nối các module điều khiển với nhau dễ dàng hơn khi so sánh với cách làm truyền thống. Kèm theo đó là nhiều lợi ích về việc dễ lắp đặt và dễ sửa chữa, bảo trì khi có sự cố.
Tạo ra một giao thức chung để nhiều nhà cung cấp khác nhau có thể phát triển các module điều khiển tương thích với nhau
Tính ưu tiên của thông điệp (Prioritization of messages): mỗi thông điệp được truyền ra từ một nút (node) hay trạm (station) trên bus CAN đều có mức ưu tiên. Khi nhiều thơng điệp được truyền ra bus cùng lúc thì thơng điệp có mức ưu tiên cao nhất sẽ được truyền. Các thơng điệp có mức ưu tiên thấp hơn sẽ tạm dừng và được truyền lại khi bus rảnh. Việc xác định mức ưu tiên của thông điệp dựa trên cấu tạo (cấu trúc) thông điệp