Sự phát triển của Điện – Điện tử trong ô tô

Các hệ thống điện cơ bản

Kỷ nguyên ban đầu của sản xuất ô tô được đặc trưng bởi những tiến bộ dần dần được đưa vào bản thiết kế ô tô, phát triển chúng từ các thiết bị vận tải cơ bản đến máy móc phức tạp. Từ những năm 1930, bộ phận điện tử đầu tiên được đưa vào ô tô là radio ống chân không (vacuum tube radio). Kể từ thời điểm đó, sự xuất hiện của các hệ thống điện cơ bản như bộ khởi động điện và hệ thống chiếu sáng cơ bản đóng vai trò then chốt trong việc định hình sự phát triển này, đỉnh cao là các phương tiện ngày nay được trang bị hơn một trăm Bộ điều khiển điện tử (ECU).

Bộ khởi động bằng điện

Trước khi có sự ra đời của bộ khởi động bằng điện, việc đánh lửa động cơ của ô tô đòi hỏi phải có thao tác quay bằng tay vất vả về mặt thể chất. Trong lịch sử ô tô, sự ra đời của động cơ khởi động điện đã đánh dấu một cột mốc quan trọng, nâng cao đáng kể sự an toàn và tiện lợi của phương tiện.

Năm 1911, động cơ khởi động bằng điện lần đầu tiên được Charles Kettering giới thiệu cho Công ty ô tô Cadillac. Động cơ khởi động bằng điện mang tính đột phá sử dụng động cơ điện một chiều, có khả năng khởi động chuyển động quay của động cơ theo lệnh, loại bỏ sự cần thiết phải quay bằng tay. Sự tiến bộ này đã hợp lý hóa quá trình khởi động xe đồng thời tăng cường sự an toàn và tiện lợi. Là bằng chứng về tính hiệu quả của nó, thiết kế và nguyên lý hoạt động của động cơ khởi động điện vẫn không thay đổi kể từ khi được phát minh. Tuy nhiên, để quản lý năng lượng hiệu quả hơn, những cải tiến hơn nữa như máy phát điện khởi động tích hợp được trang bị trên các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong hiện đại.

Hệ thống chiếu sáng cơ bản

Cụ thể, trong điều kiện ánh sáng yếu, việc đưa hệ thống chiếu sáng cơ bản vào ô tô đã làm tăng đáng kể độ an toàn và khả năng sử dụng của chúng. Trong ô tô, hệ thống chiếu sáng đầu tiên là đèn dầu hoặc đèn axetylen. Chúng không đáng tin cậy và cần được bảo trì thường xuyên.

Xe bắt đầu sử dụng đèn điện với sự ra đời của điện. Xe điện Columbia của Công ty xe điện ở Hartford, Connecticut nổi lên là chiếc ô tô đầu tiên được trang bị đèn pha điện vào năm 1898. Cung cấp nguồn sáng hiệu quả và đáng tin cậy hơn, đèn được cung cấp năng lượng từ hệ thống pin của xe. Cho đến năm 1912, phải mất thêm vài năm nữa chiếc Cadillac Model 1912 mới có hệ thống điện hoàn chỉnh, bao gồm khởi động điện, đánh lửa và chiếu sáng.

Việc triển khai các hệ thống chiếu sáng thiết yếu không chỉ nâng cao độ an toàn khi lái xe vào ban đêm mà còn dự đoán sự khởi đầu của những đổi mới trong công nghệ chiếu sáng phương tiện giao thông. Các phương tiện hiện đại hiện nay có công nghệ chiếu sáng ô tô tiên tiến với hệ thống chiếu sáng LED và HID tinh vi, đèn pha thích ứng và điều khiển đèn pha tự động, đánh dấu sự tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực này.

Quá trình chuyển đổi sang hệ thống điện tử

Trong kỹ thuật ô tô, khi các hệ thống điện cơ bản trở nên phổ biến hơn, quá trình chuyển đổi lớn hơn sang các hệ thống điện tử phức tạp hơn bắt đầu bắt đầu. Trong các hệ thống, một lĩnh vực tiến bộ chính điều khiển bộ phận cơ bản của xe là động cơ. Trong sự phát triển của hệ thống phun xăng điện tử, điều này đã được chứng minh rõ ràng. Tương tự như vậy, những tiến bộ đáng chú ý trong cơ chế an toàn đã báo hiệu một sự chuyển đổi đáng kể, điển hình là việc tạo ra hệ thống chống bó cứng phanh.

Hệ thống phun nhiên liệu

Trong lịch sử ô tô, một trong những cải tiến có ảnh hưởng nhất là phun nhiên liệu. Bộ chế hòa khí được các phương tiện đời đầu sử dụng để trộn nhiên liệu và không khí, đây là một quá trình tương đối kém hiệu quả. Trong các tình huống lái xe khác nhau, bộ chế hòa khí hoạt động để duy trì hỗn hợp nhiên liệu-không khí lý tưởng, dẫn đến hoạt động kém hiệu quả và tăng mức phát thải.

Vào những năm 1950, sự ra đời của hệ thống phun xăng điện tử (EFI) đã đánh dấu một bước chuyển đổi cần thiết trong công nghệ ô tô. Bộ điều khiển điện tử (ECU) giám sát các cảm biến và bộ truyền động trong hệ thống phun nhiên liệu điện tử, cho phép cung cấp nhiên liệu chính xác cho động cơ theo các thông số vận hành theo thời gian thực. Được giới thiệu vào năm 1967, hệ thống Jetronic của Bosch nổi bật như một ví dụ ban đầu về hệ thống phun nhiên liệu điện tử được sản xuất hàng loạt, nâng cao rõ rệt cả hiệu suất của xe và hiệu suất sử dụng nhiên liệu.

Hệ thống phun nhiên liệu đã trải qua một quá trình phát triển mang tính biến đổi, phát triển từ hệ thống phun một điểm cơ bản đến hệ thống phun trực tiếp và đa điểm tiên tiến. Sự phát triển này đã mở ra khả năng kiểm soát vượt trội, tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm đáng kể lượng khí thải theo thời gian.

Hệ thống chống bó cứng phanh

Đặc biệt trong hệ thống phanh, cuộc cách mạng điện tử cũng có tác động mạnh mẽ đến sự an toàn của phương tiện. Trước khi hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) ra đời, người lái xe phải đối mặt với nguy cơ bánh xe mất độ bám đường khi phanh gấp. Điều này xảy ra khi quán tính của xe vượt quá lực bám vào mặt đường dẫn đến hiện tượng trượt bánh và giảm khả năng điều khiển lái của người lái.

Vào đầu những năm 1970, hệ thống chống bó cứng phanh đã được giới thiệu trên ô tô sản xuất, sử dụng bộ điều khiển điện tử và cảm biến tốc độ để điều chỉnh áp suất phanh trên từng bánh xe khi phanh gấp. Cơ chế này ngăn cản sự mất lực kéo giữa các bánh xe và mặt đường bằng cách ức chế sự giảm tốc nhanh của bánh xe. Điều này cho phép người lái giữ được khả năng kiểm soát lái và giảm thiểu tình trạng trượt bánh. Trong nhiều điều kiện lái xe, cải tiến này giúp cải thiện đáng kể độ an toàn của xe.

Các tính năng nâng cao như Kiểm soát ổn định điện tử (ESC) và Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) hỗ trợ quá trình phát triển ABS kể từ khi bắt đầu, góp phần cải thiện độ ổn định và khả năng kiểm soát của xe.

Trong xe cộ, sự phát triển của hệ thống điện tử, bắt đầu từ thiết lập hệ thống chiếu sáng đơn giản đến cơ chế an toàn và phun nhiên liệu phức tạp, nhấn mạnh tầm ảnh hưởng đáng chú ý của thiết bị điện tử đối với sự chuyển đổi của ngành ô tô. Các hệ thống này tiếp tục phát triển, mang lại hiệu quả, an toàn và tiện lợi được cải thiện nhờ hiện đại hóa và số hóa.

Hiện đại hóa và số hóa

Quá trình hiện đại hóa và số hóa các phương tiện giao thông ngày càng tiến bộ hơn khi quá trình chuyển đổi sang hệ thống điện tử đã trưởng thành. Việc tích hợp công nghệ thông tin đã trở thành một xu hướng đang phát triển trong lĩnh vực ô tô. Sự tích hợp này đã dẫn đến những tiến bộ đáng chú ý, bao gồm chẩn đoán tích hợp, hệ thống thông tin giải trí và hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến.

Chẩn đoán trên xe (OBD)

Trong lĩnh vực điện tử ô tô, sự ra đời của hệ thống chẩn đoán trên xe đã đánh dấu một bước nhảy vọt quan trọng. Chức năng của nhiều bộ phận và hệ thống động cơ được OBD giám sát, cung cấp dữ liệu quan trọng để hỗ trợ chẩn đoán và giải quyết các vấn đề tiềm ẩn.

Vào những năm 1980, hệ thống OBD thô sơ đầu tiên được giới thiệu, cung cấp khả năng chẩn đoán hạn chế. Tuy nhiên, vào giữa những năm 1990, bước đột phá thực sự đến với sự ra đời của hệ thống chẩn đoán lỗi OBD-II. Việc áp dụng hệ thống chẩn đoán lỗi OBD-II tiêu chuẩn hóa cả đầu nối chẩn đoán và mã lỗi, đơn giản hóa quá trình chẩn đoán sự cố và tiến hành sửa chữa. Trong các phần được đề cập dưới đây, chúng ta có thể thấy cấu trúc mã lỗi OBD-II được phát triển như thế nào:

Dữ liệu thời gian thực bao gồm các yếu tố như tốc độ xe, nhiệt độ nước làm mát, vị trí bướm ga, RPM động cơ và nhiệt độ không khí. Việc tận dụng dữ liệu này cho phép xác định và giải quyết các vấn đề, cuối cùng là nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của phương tiện đồng thời giảm lượng khí thải.

Hệ thống thông tin giải trí

Người ta kỳ vọng vào những tiến bộ kỹ thuật tương tự trên ô tô khi thiết bị điện tử tiêu dùng ngày càng tiên tiến hơn. Điều này góp phần vào sự phát triển của hệ thống thông tin giải trí ô tô. Hệ thống thông tin giải trí kết hợp liền mạch các chức năng của xe với các công cụ giải trí và phổ biến thông tin, cung cấp các khả năng như điều hướng, phát nhạc và liên kết với điện thoại thông minh để kết nối.

Hệ thống thông tin giải trí ban đầu bao gồm các đài phát thanh ô tô đơn giản. Tuy nhiên, các phiên bản hiện đại đã chuyển đổi thành giao diện màn hình cảm ứng tương tác tiên tiến, cung cấp nhiều dịch vụ như kết nối Bluetooth, nhận dạng giọng nói và thậm chí cả khả năng truy cập Wi-Fi. Cung cấp một trung tâm điều khiển tập trung cho người lái, hệ thống thông tin giải trí tiên tiến cũng thường được kết hợp với các hệ thống khác của xe.

Hệ thống hỗ trợ người lái nâng cao (ADAS)

Trong lịch sử điện tử ô tô gần đây, sự phát triển quan trọng nhất là sự ra đời của Hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến. Để tăng cường độ an toàn cho phương tiện, kết hợp với các thuật toán hiện đại, ADAS sử dụng rất nhiều loại cảm biến, camera và radar.

Một loạt các tính năng như kiểm soát hành trình thích ứng, cảnh báo va chạm phía trước, phanh khẩn cấp tự động và cảnh báo chệch làn đường đều được ADAS bao gồm. Thông báo cho người lái xe về các mối nguy hiểm tiềm ẩn, các hệ thống này cũng có thể đảm nhận quyền kiểm soát phương tiện trong một số trường hợp nhất định để chủ động ngăn ngừa tai nạn.

Trong một số điều kiện, một số ADAS như Super Cruise của Cadillac hay Autopilot của Tesla thậm chí còn cho phép lái xe bán tự động. Việc triển khai các hệ thống này nhấn mạnh quá trình chuyển đổi đang diễn ra trong ngành hướng tới việc đạt được các phương tiện tự lái hoàn toàn.

Quá trình chuyển đổi sang hiện đại hóa và số hóa trong lĩnh vực điện tử ô tô đánh dấu sự thay đổi then chốt trong quá trình phát triển của ngành. Các phương tiện giao thông đã vượt qua nguồn gốc cơ khí của chúng và chuyển đổi thành các hệ thống phức tạp kết hợp các bộ phận và hệ thống điện tử đa dạng. Giai đoạn này đã đặt nền móng cho những phát triển sắp tới trong ngành công nghiệp ô tô, bao gồm xe điện và xe hybrid, giao tiếp giữa phương tiện với mọi thứ và sự phát triển hướng tới lái xe tự động.

Triển vọng tương lai

Xe điện và xe hybrid

Tương lai của thiết bị điện tử ô tô có mối liên hệ chặt chẽ với xe điện và xe hybrid, với những mối quan tâm về môi trường và tính bền vững đang thu hút sự chú ý trên toàn cầu. Những phương tiện này đòi hỏi một cách tiếp cận hoàn toàn mới đối với thiết bị điện tử ô tô và quản lý hệ thống điện.

Để cung cấp năng lượng cho động cơ điện (thường được gọi là e-Machine) và làm quay bánh xe, xe điện (EV) sử dụng điện được lưu trữ trong bộ pin. Để nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu, Xe điện hybrid (HEV) kết hợp động cơ đốt trong (ICE) với pin và động cơ điện (thường được gọi là máy phát điện khởi động). Trong hoạt động của những phương tiện này, các thiết bị điện tử liên quan đến hệ thống quản lý pin (BMS), bộ điều khiển động cơ và hệ thống phụ trợ tiết kiệm năng lượng đóng vai trò then chốt. Sự chuyển đổi sang Xe điện (EV) và Xe điện hybrid (HEV) không chỉ biểu thị một yêu cầu cấp thiết về môi trường; nó cũng đánh dấu một sự chuyển đổi đáng kể trong nghiên cứu, thiết kế, sản xuất và bảo trì ô tô.

Giao tiếp từ phương tiện đến mọi thứ (V2X)

Giao tiếp giữa phương tiện với mọi thứ (V2X) liên quan đến sự tương tác của phương tiện với các yếu tố khác nhau có thể tác động đến nó, bao gồm các phương tiện khác (V2V), cơ sở hạ tầng (V2I), mạng lưới (V2N) và người đi bộ (V2P). Kết quả mong đợi của giao tiếp V2X là tăng cường đáng kể về an toàn đường bộ, hiệu quả giao thông và giảm tiêu thụ năng lượng.

Công nghệ này phụ thuộc vào việc truyền dữ liệu nhanh chóng với độ trễ tối thiểu. Một công nghệ như Truyền thông tầm ngắn chuyên dụng (DSRC) là một ví dụ, được chế tạo đặc biệt cho ứng dụng ô tô, là một dẫn xuất của Wi-Fi. Trong thời gian gần đây, Cellular V2X (C-V2X), sử dụng cơ sở hạ tầng của các nhà khai thác mạng di động, nổi lên như một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn, có khả năng thúc đẩy việc áp dụng nhanh hơn và rộng rãi hơn.

Xe tự hành

Trong quá trình phát triển của thiết bị điện tử ô tô, mục tiêu tham vọng nhất là xe tự lái. Ý tưởng về các phương tiện tự hành có khả năng điều khiển các thiết lập phức tạp trong thế giới thực mà không có sự can thiệp của con người là bằng chứng cho những bước tiến đạt được trong lĩnh vực điện tử ô tô.

Để thực hiện việc lái xe tự động, bắt buộc phải có sự kết hợp của nhiều cảm biến (như LiDAR, radar và camera), các thuật toán phức tạp (bao gồm học máy và thị giác máy tính) và hệ thống liên lạc tức thời, linh hoạt. Đi đầu trong công nghệ ô tô được đặc trưng bởi các thiết bị điện tử chịu trách nhiệm quản lý và hài hòa các hệ thống này.

Tuy nhiên, con đường hướng tới tự hành hoàn toàn có nhiều lớp, được mô tả bởi các cấp độ tự động hóa lái xe của Hiệp hội Kỹ sư Ô tô (SAE). Hiện tại, các loại xe có sẵn trên thị trường đều có khả năng tự lái lên tới Cấp độ 2 và Cấp độ 3. Việc đạt đến Cấp độ 5, đại diện cho việc lái xe tự động hoàn toàn, vẫn là một trở ngại kỹ thuật đáng kể đòi hỏi những cải tiến bổ sung về cả phần cứng và phần mềm.

Một bối cảnh tràn ngập những cơ hội thú vị chính là tương lai của ngành điện tử ô tô. Khám phá sâu hơn về xe điện và xe hybrid, giao tiếp V2X và lái xe tự động cho thấy sự kết hợp giữa kỹ thuật ô tô, điện tử, khoa học máy tính và trí tuệ nhân tạo. Sự hợp nhất này đang thúc đẩy chúng ta hướng tới một kỷ nguyên mới của tính di động. Giữa làn sóng biến đổi này, vai trò của các kỹ sư ô tô đang phát triển thành vai trò đa ngành. Nó đòi hỏi nhiều hơn là chỉ có kiến ​​thức chuyên môn về hệ thống cơ khí; sự hiểu biết sâu sắc về điện tử, phần mềm và phân tích dữ liệu ngày càng cần thiết.