hr.trung
Rìu Sắt Đôi
Nhiều lần tôi đặt câu hỏi đơn giản cho SV ngành ô tô: Điện áp trên ô tô bao nhiêu volt? Câu trả lời thường là xe du lịch 12V còn xe tải 24V. Thực tế không phải như vậy! Câu hỏi: “Tại sao khi tăng điện áp từ 12V lên 72V sẽ giúp tiết kiệm nhiên liệu?”, không SV nào trả lời được.
Các hệ thống điện trong các xe truyền thống (xe động cơ đốt trong) và xe điện (EV) hoạt động ở các mức điện áp một chiều khác nhau, phản ánh các yêu cầu và ứng dụng năng lượng riêng biệt của chúng. Về nguyên tắc, điện áp trên xe càng cao càng tốt vì cùng một công suất nếu tăng điện áp lên 4 lần thì cường độ dòng điện giảm 4 lần. Điều này giúp tiết kiệm nhiên liệu nhờ lượng nhiệt vô ích tỏa ra trên đường dây và thiết bị điện giảm tỷ lệ với bình phương cường độ dòng điện. Tuy nhiên, nếu tăng điện áp lên quá cao, các giải pháp an toàn điện và chống giật sẽ gây tốn kém. Trong quá trình phát triển, điện áp định mức trên ô tô sử dụng động cơ đốt trong tăng dần từ 6V thuở sơ khai đến mức 48V dùng trong một số thiết bị quân sự. Việc hạn chế điện áp ở mức 48V còn liên quan đến ắc quy - thiết bị dùng để khởi động vì điện áp cao phải ghép nối tiếp nhiều ắc quy. Điện áp sử dụng trên ô tô thường phân biệt 2 trường hợp: Engine OFF 12V (điện áp ắc quy) và Engine ON: 14V (điện áp máy phát) còn xe tải 24/28V. Tuy nhiên đó chỉ là điện áp định mức cho các thiết bị điện phổ biến trên xe mà thôi.
Trào lưu điện khí hóa dựa vào pin lithium với sự ra đời của ô tô điện rồi xe chạy bằng pin nhiên liệu đã đẩy mức điện áp lên cao từ 200-800V.
Trong những năm trước 1950 nhiều nhà sản xuất ô tô trên thế giới sử dụng hệ thống điện 6V làm tiêu chuẩn cho nhiều mẫu xe khác nhau.
Lý do chính là công nghệ chế tạo ắc quy còn chưa phát triển. Công nghệ pin axit chì được sử dụng trong thời này thường bao gồm ba pin đơn (mỗi pin cung cấp khoảng 2.1V), khiến nó trở thành tiêu chuẩn tự nhiên cho hệ thống điện ô tô. Sự chuyển đổi từ hệ thống 6V sang 12V bắt đầu vào cuối những năm 1950, phần lớn được thúc đẩy bởi những tiến bộ trong các linh kiện điện, nhu cầu điện gia tăng từ các công nghệ mới (đèn, radio, điều hòa không khí) và nhu cầu về hiệu suất tốt hơn. Khi tăng điện áp gấp đôi giúp sử dụng dây có lõi nhỏ hơn và giảm lượng nhiệt sinh ra nhờ dòng nhỏ, giúp tiết kiệm nhiên liệu. Chính vì vậy, giữa những năm 1960, hầu hết các nhà sản xuất đã tiêu chuẩn hóa hệ thống 12V.
Hệ thống này cung cấp năng lượng cho các thành phần thiết yếu như: máy khởi động (đề), Hệ thống đánh lửa, Chiếu sáng (đèn pha, đèn hậu, đèn nội thất), Phụ kiện (radio, hệ thống thông tin giải trí, cửa sổ điện, v.v.)
Ắc quy 12V thường là loại axit chì, cung cấp đủ năng lượng để khởi động động cơ và chạy các thiết bị điện khi động cơ tắt. Khi động cơ hoạt động, máy phát sẽ cung cấp điện 14V cho toàn bộ phụ tải điện trên xe đồng thời sạc bình.
Các phương tiện lớn hơn, đặc biệt là xe tải và xe bus, sử dụng hệ thống 24/28V. Điện áp cao hơn này giúp giảm dòng điện nên hiệu quả hơn, cho phép hiệu suất cao hơn cho các ứng dụng công suất lớn.
Điện áp 24V thường tốt cho các động cơ điện trên xe nhưng đối với các mạch điện tử nó làm tăng dòng rò. 24V cũng làm tuổi thọ của bóng đèn loại dây tóc giảm (SV tự tìm hiểu và trả lời tại sao).
Một hệ thống điện áp kép trong ô tô, thường sử dụng cả 12V và 24V, được sử dụng chủ yếu trong một số phương tiện nhất định. Kiểu điện áp kép này thường được tìm thấy trong các phương tiện hạng nặng, đội tàu thương mại và các ứng dụng quân sự.
Hệ thống điện áp kép được thiết kế để cung cấp cả nguồn điện 12 và 24V trong một chiếc xe duy nhất. Hệ thống thường bao gồm hai ắc quy được nối theo cách hỗ trợ các phụ tải điện với yêu cầu các mức điện áp khác nhau.
12V sử dụng cho các thiết bị điện ô tô tiêu chuẩn, như đèn, radio và các mạch điện tử.
24V thường cho các tải điện nặng hơn, như motor khởi động.
Các hệ thống điện áp kép thường có hai bình 12V được mắc nối tiếp để tạo ra 24V. Điểm giữa 2 bình cung cấp 12V còn cọc dương của bình thứ hai ra 24V.
Một bộ điều chỉnh điện áp được sử dụng để đảm bảo điện áp ổn định trên các tải khác nhau, bảo vệ các thiết bị điện khỏi sự tăng đột biến điện áp.
Trong các hệ thống điện áp kép, máy phát được thiết kế để sạc đồng thời cả hai bình hoặc để tạo ra đầu 12V và 24V.
Một số hệ thống kết hợp rơle hoặc công tắc cho phép chuyển đổi tự động giữa các mạch 12V và 24V, cho phép kiểm soát tốt hơn hệ thống nào được cấp nguồn.
Một hệ thống phân phối thích hợp là cần thiết để đảm bảo tải điện được cân bằng đúng cách và được kết nối với nguồn điện áp chính xác.
Ứng dụng của hệ thống điện áp kép có thể thấy trên xe tải và xe buýt hạng nặng. Hệ thống 24V cung cấp năng lượng cho động cơ đề và các tải điện nặng, như hệ thống điều hòa không khí và hệ thống thủy lực còn các thiết bị điện còn lại sử dụng 12V.
Nhiều ứng dụng trên xe quân sự yêu cầu hệ thống điện áp kép để vận hành các thiết bị và công nghệ khác nhau, cung cấp sự linh hoạt để cung cấp năng lượng cho các hệ thống khác nhau khi cần thiết.
Một số xe máy công trình sử dụng hệ thống điện áp kép để cung cấp năng lượng cho các công cụ và thiết bị hạng nặng cần công suất lớn.
Hoạt động ở 24V cho phép giảm dòng điện tiêu thụ, giúp giảm thiểu tổn thất trong hệ thống dây điện và cải thiện hiệu suất năng lượng tổng thể còn 12V thích hợp với các thiết bị điện tử và bóng đèn chiếu sáng.
Hệ thống điện áp kép có thể cung cấp năng lượng điện cho nhiều loại thiết bị và phụ kiện hơn, linh hoạt cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Các phương tiện quân sự ngày càng tích hợp các hệ thống điện cao áp hơn như 48V trở lên, để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng từ các hệ thống điện tiên tiến. Các hệ thống điện áp cao hơn cung cấp một số lợi thế, bao gồm tăng hiệu suất, giảm trọng lượng và khả năng cung cấp năng lượng cho các thiết bị tinh vi.
Các phương tiện quân sự hiện đại được trang bị nhiều thiết bị và hệ thống điện tử, bao gồm thiết bị liên lạc tiên tiến, hệ thống định vị, hệ thống vũ khí, cảm biến và các công nghệ quản lý chiến trường khác nhau. Các hệ thống này thường đòi hỏi nhiều năng lượng hơn các hệ thống 12V hoặc 24V truyền thống.
Hệ thống 48V mang lại lợi thế về hiệu quả năng lượng. Hoạt động ở điện áp cao hơn cho phép giảm tổn thất do điện trở trong hệ thống dây điện. Điều này dẫn đến việc tạo ra ít nhiệt hơn và cải thiện hiệu quả tổng thể.
Bằng cách sử dụng điện áp cao hơn, dây điện mỏng hơn, giúp giảm trọng lượng tổng thể của hệ thống điện. Các phương tiện quân sự nhẹ hơn giúp tăng cường khả năng cơ động và tiết kiệm nhiên liệu, những yếu tố quan trọng trong các hoạt động quân sự.
Hệ thống 48V cũng có thể hỗ trợ các yêu cầu năng lượng cao hơn, cho phép vận hành động cơ điện, cảm biến tiên tiến và hệ thống phụ trợ mà không làm quá tải hạ tầng điện.
Một số phương tiện quân sự được thiết kế để hoạt động ở điện áp cao hơn 48V, chẳng hạn như 60V, 72V hoặc thậm chí 100V, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng hệ thống pin năng lượng cao và vũ khí công suất lớn.
Xe hybrid và xe quân sự chạy hoàn toàn bằng điện dựa vào các hệ thống điện áp cao hơn để cung cấp năng lượng cho động cơ điện điều khiển xe, góp phần vào khả năng tàng hình nhờ giảm nhiệt.
Nhiều hệ thống vũ khí tiên tiến yêu cầu mức điện áp cao.
Việc tích hợp 48V và các hệ thống điện áp cao hơn trong các phương tiện quân sự thể hiện một tiến bộ đáng kể trong khả năng cung cấp năng lượng cho các thiết bị và hệ thống chiến đấu hiện đại. Bằng cách nâng cao hiệu quả, giảm trọng lượng và hỗ trợ nhu cầu của các công nghệ tiên tiến, các hệ thống này cung cấp cho các lực lượng quân sự khả năng hoạt động và tính linh hoạt được cải thiện trên chiến trường.
Không riêng gì xe quân sự, chúng ta cũng gặp điện áp 80-250V cấp cho kim phun dầu điện tử.
Ô tô hiện đại ngày càng kết hợp các hệ thống 5V, chủ yếu cho các ứng dụng kỹ thuật số trong xe. Xu hướng này là nỗ lực số hóa và sử dụng các thiết bị điện tử tiên tiến trong ô tô.
Nhiều ứng dụng ô tô, đặc biệt là hệ thống thông tin giải trí, các cảm biến khác nhau, được thiết kế để tương thích với các thiết bị điện 5V. Nguồn điện 5V phù hợp với điện áp phổ biến được sử dụng trong nhiều thiết bị tiêu dùng, đơn giản hóa việc tích hợp và giảm chi phí. 5V là nguồn cấp cho vi điều khiển, vi xử lý - bộ não của các hệ thống quan trọng trong xe, như bộ điều khiển động cơ, hộp số tự động, hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến ADAS…
Đa phần cảm biến sử dụng cho các ứng dụng khác nhau hoạt động với 5V.
Vận hành một số linh kiện vi mạch ở 5V giúp giảm thiểu sinh nhiệt và dòng rò so với các hệ thống điện áp cao hơn. Điều này đặc biệt quan trọng trong các phương tiện nơi không gian thường bị hạn chế và quản lý nhiệt là một cân nhắc thiết kế quan trọng.
Các hệ thống điện áp thấp hơn ít gây ra nguy cơ điện giật và hồ quang. Yếu tố an toàn này đặc biệt quan trọng trong môi trường có hành khách và nơi các phương tiện chịu rung động và sốc.
Việc chuyển đổi từ điện áp cao hơn sang 5V rất đơn giản, cho phép thiết lập linh hoạt cho các thành phần khác nhau.
Khi các phương tiện kết hợp nhiều công nghệ tích hợp hơn như khả năng kết nối tiên tiến, thông tin giải trí và lái xe tự động sẽ phụ thuộc vào vi điện tử, thường hoạt động ở 5V. Ví dụ, các hệ thống như giao tiếp từ xe đến mọi thứ (V2X) và các ứng dụng IoT (Internet vạn vật) khác nhau thường sử dụng thiết bị điện tử điện áp thấp.
Hiện nay, trong các xe truyền thống, hệ thống 5V tồn tại song song với hệ thống 12/14V hoặc cao hơn. Điều này khá nguy hiểm vì dây 5V nếu bị chạm vào 12V hoặc chạm mass đều làm hư mạch chuyển đổi DC-DC 12V-5V trong ECU.
Trên xe còn có một số cảm biến phát ra điện áp thấp hơn như cảm biến tiếng gõ 0.1-2.5V, cảm biến oxy: 0.1-0.9V.
Xe điện hoạt động với hệ thống pin điện áp cao, dao động từ 200V đến 800V tùy thuộc vào mẫu xe và nhà sản xuất.
200V đến 400V: Nhiều xe điện loại nhỏ như Nissan Leaf, Chevrolet Bolt…. hoạt động trong phạm vi điện áp này.
400V đến 800V: Các mẫu xe hiệu suất cao hơn Tesla Model, Porsche Taycan thường sử dụng hệ thống pin điện áp này để tăng cường cung cấp năng lượng và nâng cao hiệu suất.
Điện áp cao hơn làm giảm dòng điện chạy qua hệ thống, giảm thiểu tổn thất năng lượng do điện trở (tổn thất I²R) trong dây.
Các hệ thống điện áp cao cung cấp nhiều năng lượng hơn cho các thành phần như động cơ điện, góp phần tăng tốc và hiệu suất tốt hơn.
Các hệ thống điện áp cao cho phép sạc nhanh hơn tại bộ sạc nhanh DC, thời gian sạc ngắn hơn.
Tuy nhiên, ngoài pin điện áp cao, xe điện cũng có hệ thống điện áp 12V cung cấp năng lượng cho các phụ tải điện như chiếu sáng, hệ thống thông tin giải trí, hệ thống kiểm soát khí hậu
Trong nhiều EV hiện đại, hệ thống 12V được duy trì bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC giúp giảm điện áp của pin điện áp cao để cung cấp các yêu cầu điện áp thấp hơn.
Trong xe điện và xe hybrid, còn sử dụng hệ thống 5V trong hệ thống quản lý pin (BMS), để theo dõi tình trạng pin, mức sạc và nhiệt độ, đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn.
Xe pin nhiên liệu hydro (FCV) sử dụng pin nhiên liệu để tạo ra điện thông qua phản ứng hóa học giữa hydro và oxy, thường tạo ra hơi nước là khí thải duy nhất. Sản lượng điện của pin nhiên liệu hydro có thể thay đổi tùy theo thiết kế và ứng dụng của hệ thống pin nhiên liệu.
Điện áp được tạo ra bởi một ngăn pin nhiên liệu thường dao động từ 0,5V đến 0,8V mỗi pin đơn trong quá trình hoạt động. Tuy nhiên, vì pin nhiên liệu hydro được tạo thành từ nhiều pin đơn mắc nối tiếp, điện áp cao hơn nhiều.
Một ngăn pin nhiên liệu trong xe có thể bao gồm nhiều pin đơn riêng lẻ (thường từ 100 đến 200), dẫn đến tổng điện áp đầu ra có thể dao động từ 250V đến 400V trở lên, tùy thuộc vào thiết kế và cấu hình pin nhiên liệu cụ thể.
Công suất đầu ra tổng thể của pin nhiên liệu hydro thường được chỉ định bằng kilowatt (kW). Ví dụ, nhiều xe pin nhiên liệu hydro có sẵn trên thị trường, chẳng hạn như Toyota Mirai hoặc Honda Clarity, có ngăn pin nhiên liệu có khả năng cung cấp khoảng 100 kW (khoảng 136 mã lực), góp phần vào hiệu suất của xe.
Đầu ra từ ngăn pin nhiên liệu thường là điện một chiều (DC), có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho động cơ điện và sạc pin của xe. Pin này hỗ trợ các yêu cầu năng lượng trong nhu cầu năng lượng cao lúc tăng tốc và lưu trữ năng lượng phanh tái sinh.
Xe pin nhiên liệu hydro thường bao gồm hệ thống truyền động điện, trong đó pin nhiên liệu tạo ra năng lượng cung cấp năng lượng trực tiếp cho động cơ điện. Hệ thống truyền động điện thường yêu cầu mức điện áp tương thích với động cơ và các thiết bị điện tử khác của xe.
Nhiều xe pin nhiên liệu hydro được trang bị hệ thống pin lithium hoạt động song song với pin nhiên liệu. Điện áp pin thường nằm trong khoảng 300V đến 400V, phù hợp với đầu ra pin nhiên liệu để đảm bảo khả năng tương thích và hiệu suất.
Khi hệ thống điện xe gặp phải các điều kiện quá áp hoặc thiếu điện áp, một số vấn đề phát sinh, ảnh hưởng đến hiệu suất, độ an toàn và độ tin cậy của xe.
Các hư hỏng gây ra bởi điện áp quá mức.
Các chi tiết điện, như cảm biến, cơ cấu chấp hành, hộp điều khiển, có thể bị hư hỏng hoặc phá hủy khi chịu điện áp vượt quá giới hạn định mức của chúng.
Nguy hiểm nhất là nhiều thợ ở nước ta khi gặp trường hợp bình yếu, không thể đề thì câu nối tiếp 2 bình ắc quy để đề cho mạnh! Kết quả là phải chi thêm vài chục triệu để mua ECU!
Điện áp cao hơn dẫn đến dòng điện quá mức qua các phụ tải điện, làm tăng sinh nhiệt. Điều này làm hỏng các linh kiện điện tử và lớp cách điện dây điện, dẫn đến đoản mạch hoặc hỏa hoạn tiềm ẩn.
Các điều kiện quá áp có thể gây biến dạng tín hiệu trong các đường truyền dữ liệu, như tín hiệu CAN bus, dẫn đến giao tiếp không đáng tin cậy giữa các mô-đun và hệ thống xe khác nhau.
Điện áp quá cao khiến ắc quy xe bị sạc quá mức, dẫn đến bình bị phồng, rò hoặc thậm chí thoát nhiệt trong pin lithium-ion, gây cháy nổ.
Quá áp làm quá tải cầu chì, rơle và bộ ngắt mạch CB, khiến chúng bị hỏng. Điều này có thể tạo ra các lỗi trên toàn hệ thống điện, dẫn đến nhiều trục trặc hệ thống.
Các vấn đề gây ra bởi điện áp thấp
Không đủ năng lượng cho các phụ tải: Nhiều linh kiện ô tô yêu cầu điện áp tối thiểu để hoạt động chính xác. Điện áp thấp dẫn đến không đủ năng lượng cho các hệ thống quan trọng, khiến chúng bị trục trặc hoặc hoạt động không bình thường. Điều này đặc biệt đáng lo ngại đối với các hệ thống liên quan đến an toàn như hỗ trợ phanh hoặc lái.
Thiếu điện áp dẫn đến giảm hiệu suất của động cơ điện và bộ truyền động điện, ảnh hưởng đến khả năng tăng tốc, lái và động lực học của xe, dẫn đến trải nghiệm lái xe kém và các mối nguy hiểm tiềm ẩn về an toàn.
Vi điều khiển và hộp điều khiển điện tử có thể bị reset hoặc gặp sự cố nếu điện áp giảm xuống dưới ngưỡng hoạt động, gây ra sự gián đoạn tạm thời trong hệ thống du xe và có thể dẫn đến mất các chức năng quan trọng.
Điện áp thấp dẫn đến việc sạc pin xe không đầy đủ, làm giảm trạng thái sạc và tuổi thọ bình ắc quy. Trong xe hybrid hoặc xe điện, điều này có thể ảnh hưởng đến quãng đường lái xe và độ tin cậy vận hành.
Điều kiện thiếu điện áp có thể khiến máy phát phải làm việc nặng để duy trì mức điện áp thích hợp, dẫn đến sự gia tăng hư hỏng và giảm tuổi thọ của máy phát.
Để giải quyết các vấn đề gây ra bởi các điều kiện quá áp và thấp áp, cần:
kiểm tra bộ điều chỉnh điện áp để duy trì mức điện áp ổn định và bảo vệ các chi tiết nhạy cảm khỏi biến động điện áp.
Kết hợp cầu chì, CB và các thiết bị bảo vệ khác để ngắt kết nối mạch trong trường hợp xảy ra tình huống quá áp hoặc thiếu điện áp.
Triển khai BMS tiên tiến trong xe hybrid và xe điện để theo dõi và quản lý tình trạng pin, đảm bảo sạc và xả an toàn.
Sử dụng thiết bị bảo vệ quá áp và thiết bị ức chế điện áp thoáng qua để bảo vệ chống tăng đột biến điện áp, đặc biệt là trong các hệ thống điện tử nhạy cảm.
Tiến hành chẩn đoán và bảo trì định kỳ để xác định và khắc phục các sự cố tiềm ẩn liên quan đến điện áp trước khi chúng dẫn đến lỗi hệ thống nghiêm trọng.
Cả hai điều kiện quá áp và thiếu điện áp đều ảnh hưởng đáng kể đến hệ thống điện và điện tử ô tô, ảnh hưởng đến hiệu suất, độ tin cậy và độ an toàn.
Sự chuyển đổi từ hệ thống 6V trong các phương tiện trong những năm 1940 và 1950 sang hệ thống 48V trong các phương tiện quân sự đương đại làm nổi bật sự phát triển của công nghệ ô tô. Các động lực cho sự thay đổi này bao gồm nhu cầu điện lớn hơn, nâng cao hiệu suất, tích hợp các công nghệ tiên tiến. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, chúng ta có thể thấy những thay đổi hơn nữa trong các hệ thống điện áp được sử dụng trong cả xe dân dụng và quân sự. Quay lại câu trả lời cho câu hỏi ở đầu bài giảng: ô tô ngày nay sử dụng các mức điện áp khác nhau thay đổi từ 0.1V đến 800V!
Nguồn: Thầy Đỗ Văn Dũng