Hôm nay, cùng trung tâm VATC tìm hiểu chủ đề: 48 – Volts & Công nghệ trên Mercedes-Benz EQ Boost qua bài viết kỹ thuật sau đây nhé! Đọc đến hết bài viết để không bỏ lỡ bất kỳ thông tin thú vị nào.
1. Tổng quan
Chúng ta đang dần bước vào thế giới sửa chữa xe điện hybrid và điện áp cao bằng cách này hay cách khác trong vài năm qua. Nói chung, quá trình phát triển về những thứ có điện áp trung thế và cao thế đã bắt đầu.
Bước nhảy vọt hướng tới xe chạy hoàn toàn bằng điện đang tăng tốc với tốc độ nhanh chóng tốc độ đáng kinh ngạc. Mercedes-Benz đang nỗ lực hết mình với việc giới thiệu và tung ra dòng xe EQ gần đây, cùng với cam kết cung cấp dòng xe chạy điện 100% vào cuối thập kỷ này.
Nền tảng chạy hoàn toàn bằng điện, được gọi là EQ, dòng EQ Power dành cho ô tô hybrid và xe cắm điện hoàn toàn, và giờ đây là giải pháp hybrid nhẹ, EQ Boost.
EQ Boost là hệ thống mild hybrid 48 volt, giúp tăng thêm công suất cho động cơ đốt trong lên đến 21 mã lực khi cần, giống như hệ thống ERS-K và ERS-H trong Công thức 1. Công nghệ 48 volt tương đối mới (đối với ngành ô tô) đó là xu hướng mới nhất. Là sự kết hợp của phương tiện được trang bị ICE (Động cơ đốt trong) truyền thống. Ưu điểm lớn nhất chính là công suất, cả động cơ điện và hệ thống dây điện đều có thể có kích thước bằng một phần tư so với hệ 12 volt tương đương, tiết kiệm tiền và quan trọng hơn là trọng lượng.
Xe Mild Hybrid không có gì mới, nhiều nhà sản xuất bao gồm cả Mercedes-Benz gần đây đã sử dụng dòng điện 48 volt và có nhiều ưu điểm tốt. Điều này là do nguồn điện 48 volt mang lại lợi ích to lớn không chỉ trong việc tiết kiệm nhiên liệu, giảm lượng khí thải đây vốn là những yêu cầu cần thiết. Nguồn điện 48 Volts còn cung cấp được năng lượng và nguồn cho một số hệ thống điện tử của xe hiện đại và các hệ thống truyền động bằng dây (DbW – Drive by Wire).
Trở lại năm 1995 cho đến năm mô hình 2000, chúng ta nhớ đến một cuộc thảo luận toàn ngành về việc hướng tới hệ thống 42 volt tiêu chuẩn hóa để tăng cường cho hệ thống 12 volt. Cách tiếp cận này, cả điện áp được chọn và sự thiển cận (xem xét hiện tại) của hệ thống điện dự phòng đã khiến các nhà sản xuất quyết định gác lại ý tưởng.
Nhưng trong vài năm qua, đặc biệt là với việc bổ sung thêm nhiều mô-đun, những hệ thống đời mới này tiêu thụ dòng điện cao hơn đặc biệt là những hệ thống truyền động bằng dây (DbW) như trợ lực lái điện, Motor bơm nhiên liệu 3 pha dòng điện cao, động cơ điện nói chung đã đạt đến mức giới hạn của lưới điện 12 volt. Thêm vào đó ngoài việc gia tăng các hệ thống và thiết bị điện tử tiêu thụ dòng điện cao, hầu hết các nhà sản xuất đều đồng thời chế tạo động cơ nhỏ hơn và hiệu quả hơn để duy trì tuân thủ quy định về khí thải.
Xem xét kích thước của một chiếc xe như E-Class hay S-CIass, trước đây được trang bị động cơ V6 và V8 phân khối lớn, mạnh mẽ. Ngày nay, do xu hướng sử dụng động cơ phun xăng trực tiếp, sử dụng hệ thống tăng áp nên dẫn đến động cơ nhỏ hơn, hiệu quả hơn ở Châu Âu và các nơi khác (bao gồm cả ở Mỹ), các loại xe có cùng kích thước hiện được trang bị động cơ tăng áp 2.0 Lít hoặc 6 xi-lanh thẳng hàng 3.0L phun điện tích thậm chí còn có nhiều mã lực hơn so với động cơ “phân phối lớn” cũ.
Vì vậy, các kỹ thuật viên cũng đồng thuận rằng khi tải điện trên xe buộc phải tăng lên theo thời gian, thì các tổn hao ký sinh phát sinh từ máy nén, dây curoa, bơm nước làm mát và máy phát điện – đặc biệt trên các động cơ nhỏ hơn và tối ưu hơn – đã trở thành một thách thức kỹ thuật lớn, do bị giới hạn bởi khả năng cấp tải của hệ thống điện 12V truyền thống. Vậy giải pháp là gì?
Hình ảnh nhìn chính diện của các cuộn dây trong bộ Integrated Starter Generator (ISG) của Mercedes-Benz. ISG là một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu loại 6 pha, với 12 cặp cực từ, được điều khiển bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Ba pha được sử dụng cho chế độ phát điện và ba pha còn lại dành cho chế độ khởi động, giúp quá trình khởi động động cơ diễn ra cực kỳ êm ái và mượt mà.
Ví dụ, bạn sẽ hầu như không cảm nhận được độ trễ turbo trên các mẫu xe được trang bị EQ Boost. Lý do là vì bộ ISG có thể tạo ra mô-men xoắn khoảng 184 lb-ft gần như tức thì, từ đó truyền một lực đẩy mạnh và ngay lập tức vào hệ truyền động. Ngoài ra, lượng khí nạp tăng áp bổ sung từ máy nén điện (hoạt động tương tự như supercharger) trên một số phiên bản cũng góp phần giảm turbo lag. Nhờ sự kết hợp giữa ISG và máy nén điện phụ trợ (EAC), hệ thống có thể bổ sung đủ công suất truyền động trong khoảng thời gian cần thiết để turbo chính quay lên tốc độ làm việc.
2. EQ Boost: 48 Volts
Thông qua việc triển khai kiến trúc điện 48V, Mercedes-Benz hiện đã có trong tay một nền tảng có thể cung cấp đầy đủ điện áp và dòng điện cần thiết cho các phụ tải dòng lớn trên xe hiện đại, đồng thời vẫn còn dư nhiều khả năng mở rộng cho tương lai.
Bên cạnh việc hỗ trợ tăng công suất cho động cơ đốt trong, hệ thống này còn có thể cấp nguồn cho bơm nước làm mát chạy điện, máy nén tăng áp điện, hệ thống treo chủ động E-ACTIVE BODY CONTROL và nhiều hệ thống khác nữa.
Hệ thống EQ Boost 48V về mặt chính thức đã đưa chiếc xe vào nhóm “Mild Hybrid”, tức là theo định nghĩa, mô-tơ điện không thể trực tiếp dẫn động bánh xe. Tuy nhiên, Mercedes-Benz đã mở rộng ranh giới của khái niệm mild hybrid này thông qua chế độ Sailing Mode và cơ chế tách động cơ khỏi hệ truyền động.
Hệ thống EQ Boost của Mercedes-Benz thực sự là một kiệt tác kỹ thuật, trong khi những hãng khác mới chỉ dừng lại ở mức thử nghiệm. Về bản chất, hệ thống này lấp đầy hoàn toàn khoảng thời gian mà turbo cần để đạt tốc độ quay làm việc. Sơ đồ tăng áp kết hợp giữa máy nén điện và turbo này mang lại đặc tính tăng tốc gần như tức thời và cực kỳ mượt, điều mà nhiều xe khác không đạt được.
Thêm vào đó hệ thống EQ Boost có thể được tích hợp trên nhiều loại động cơ khác nhau như: động cơ 2.0L 4 xi-lanh thẳng hàng, động cơ 3.0L 6 xi-lanh thẳng hàng thế hệ mới không dùng dây curoa, hoặc động cơ V8 4.0L có mô-men xoắn lớn. Đây là một hướng thiết kế rất thông minh, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và kiểm soát chi phí.
Hệ thống EQ Boost cũng thực hiện một số chức năng “ngoài khuôn khổ” rất thú vị với kiến trúc 48 volt, thể hiện rõ nhất qua hệ thống E-ACTIVE BODY CONTROL, một khái niệm mang tính đột phá. Phần này sẽ được nói kỹ hơn sau.
Bây giờ, hãy cùng nhìn tổng quát hệ thống 48V EQ Boost dưới góc nhìn của một kỹ thuật viên, và thảo luận về những điều có thể gặp phải trong quá trình chẩn đoán và sửa chữa hệ thống này.
Trước hết, chúng ta phải xem xét sự khác biệt về mặt điện giữa mức điện áp và dòng điện khả dụng của hệ thống 48V so với hệ thống 12V mà chúng ta đã quen phân tích, để hiểu vì sao nền tảng 48V lại được lựa chọn.
3. Vậy tại sao lại chọn 48V?
48V cung cấp đủ năng lượng cho các tải dòng lớn với hiệu năng cao, nhưng vẫn nằm dưới ngưỡng 60V DC, là tiêu chuẩn phân biệt giữa điện áp thấp và điện áp cao (High Voltage) theo quy định an toàn.
Trên 60V DC, hệ thống dây dẫn phải sử dụng cáp có kích thước lớn hơn nhiều, kèm theo các yêu cầu cách điện và che chắn điện từ nghiêm ngặt hơn, làm tăng đáng kể chi phí.
Trong khi đó, 48V nằm dưới ngưỡng điện áp cao, nên:
- Tiết kiệm chi phí hơn.
- Dễ dàng tích hợp trên nhiều nền tảng xe khác nhau.
- Dễ đóng gói hơn về mặt bố trí kỹ thuật.
Ngoài ra, pin 48V nhỏ và nhẹ hơn rất nhiều so với pin của xe hybrid điện áp cao hoặc xe điện thuần (thường ở hàng trăm volt). Việc chuyển sang hệ thống 48V cũng tạo điều kiện cho nhiều hệ thống hỗ trợ khung gầm có yêu cầu dòng điện lớn, trước đây phải phụ thuộc rất nhiều vào các bơm (charge pump), tụ điện và máy biến áp trên nền tảng 12V. Điều này có nghĩa là khi sử dụng nguồn 48V, thì: Dây dẫn, linh kiện điện tử, Tụ điện, Và các bộ phận khác đều có thể được thiết kế nhỏ gọn hơn, tiêu thụ dòng điện thấp hơn, và nhìn chung là hoạt động hiệu quả hơn.
Xem qua một số kiến thức cơ bản của hệ thống 48V, sau đó đi sâu vào Integrated Starter Generator (ISG) để tìm hiểu cách nó hoạt động, bởi vì bên cạnh bộ pin và các thiết bị điều khiển điện tử, thì ISG chính là trái tim của hệ thống 48V.
Điện áp 48V có mức thế năng đúng bằng 4 lần so với hệ thống 12V (và do đó, dòng điện khả dụng cũng tăng theo). Định luật Ohm đối với dòng điện một chiều tuyến tính quy định rằng, với cùng một tải (điện trở), khi thế năng tăng gấp 4 thì dòng điện khả dụng cũng tăng gấp 4.
- Hệ 12V / tải 2.5Ω = 4.8 ampe
- Hệ 48V / tải 2.5Ω = 19.2 ampe, tức là dòng điện tăng 4 lần.
Nhưng nếu chúng ta sử dụng toàn bộ 19.2A để chạy chính động cơ đó (tải đó), ví dụ, thì dòng điện gấp 4 lần đó sẽ nhanh chóng làm cháy động cơ và cuộn dây do động cơ quay quá tốc độ và cuộn dây bị quá nhiệt, vì động cơ đó được thiết kế với dây dẫn và cuộn dây để hoạt động ở 12V và 4.8A, hay công suất 57.6 watt.
Người ta cũng biết rằng nếu chúng ta điều chỉnh điện trở của tải tương ứng với việc tăng điện áp, thì vẫn có thể thực hiện cùng một công việc với dòng điện nhỏ hơn, điều này có nghĩa là ít hao mòn hơn, ít sinh nhiệt hơn, và ở những nơi phù hợp, có thể sử dụng dây dẫn có tiết diện nhỏ hơn, nhẹ hơn.
Ví dụ:
- Ở mức 12V, tải 2,5 Ohm chạy ở 4,8 amps sẽ tiêu thụ 57,6 watt điện,
- Ở 48V, tải 2.5Ω đang chạy ở cùng 4.8 ampe sẽ cố gắng tiêu thụ 230,4 watt.
Vì vậy, nếu chúng ta lấy bơm nhiên liệu 57,6 watt và áp dụng các phép tính vật lý cơ bản với 12V và sau đó với 48V, ta được kết quả như sau: P (watt) = 57,6 chia cho 12V = 4,8 ampe, trong khi một bơm nhiên liệu tiêu thụ cùng 57,6 watt trong ví dụ 48V chỉ cần 1,2 ampe để thực hiện cùng một công việc. P (watt) = 57,6 chia cho 48V = 1,2 ampe.
Điện áp cao hơn có nghĩa là các tải dòng lớn của hệ thống 12V truyền thống có thể chạy với dòng điện nhỏ hơn, và do đó dây dẫn nhỏ hơn.
Cùng một tải 57,6W, nhưng ít gây căng thẳng hơn cho hệ thống cấp nguồn, thiết bị tải và dây dẫn.
Thực tế, nếu chúng ta xem xét rằng việc ngành công nghiệp chuyển sang điều khiển công suất PWM đã giúp hiệu suất động cơ và tuổi thọ mô-tơ trong hệ thống 12V tăng khoảng 37%, thì công nghệ 48V mới này có thể đóng góp gì không chỉ về tăng hiệu quả động cơ đốt trong, mà còn về tuổi thọ linh kiện.
Hệ thống Mercedes EQ Boost, được thiết lập cho động cơ 2.0L 4 xi-lanh turbo và 3.0L 6 xi-lanh thẳng hàng “beltless” turbocharged, hiện có mặt trên nhiều dòng xe, được biết đến trong lĩnh vực điện hóa là topology P1. Điều này có nghĩa là Integrated Starter Generator (ISG) được gắn tại khu vực bell housing trên trục khuỷu, giữa động cơ và hộp số 9 cấp.
Động cơ điện 6 pha mạnh mẽ 48V này thay thế cả bộ đề động cơ và máy phát 12V.
Hệ thống EQ Boost 48V sử dụng pin Lithium-Ion 48V dung lượng 0,9 kWh, nhỏ gọn và nhẹ hơn nhiều so với các pin điện áp cao 300V–800V được dùng trong Full Hybrid, Plug-in Hybrid (EQ Power) và xe điện (EQ Series).
4. Kiểm tra động cơ ISG 48V
Mặc dù hệ thống mang nhãn 48V có nghĩa là không được coi là “Điện áp cao” (High-Voltage), nhưng các kỹ thuật viên vẫn được cảnh báo rằng có thể tồn tại các điện áp nguy hiểm bên trong hệ thống. Dù nguồn cung cấp là 48V, Mercedes-Benz khuyến cáo rằng điện áp cao hơn, vượt quá giới hạn tiếp xúc 60V, có thể xuất hiện trong một số điều kiện nhất định. Điều này có nghĩa là không bao giờ an toàn khi cố gắng đo điện áp hoặc tín hiệu trong hệ thống 48V bằng các phương pháp thử thông thường như đồng hồ vạn năng hoặc oscilloscope.
Xin đừng xem nhẹ điều này. Tiếp xúc với điện áp đủ cao có thể gây tử vong.
Theo tài liệu Mercedes-Benz Workshop Information System (WIS) SNOO.00-P-0063-15A (Hướng dẫn an toàn hệ thống điện 48V trên xe), nghiêm cấm làm việc trên hệ thống điện 48V đang hoạt động.
Tất cả các phép thử ISG phải được thực hiện thông qua hệ thống chẩn đoán XENTRY. Mercedes-Benz không muốn hạn chế quyền truy cập chẩn đoán, mà chỉ hoàn toàn vì an toàn của bạn. Điều này không có nghĩa XENTRY kiểm tra mọi thứ; thay vào đó, các chu trình kiểm tra hướng dẫn XENTRY có thể yêu cầu bạn:
- Kiểm tra các tín hiệu và điện áp cụ thể.
- Xử lý Diagnostic Trouble Codes (DTC).
- Thậm chí đo microOhm (bằng đồng hồ microOhm thương mại) sau khi ISG đã được tháo ra khỏi xe.
Trích lại tài liệu WIS SNOO.00-P-0063-15A, hệ thống 48V phải được vô hiệu hóa trước khi làm việc trên bất kỳ linh kiện nào. Tham khảo hướng dẫn công việc (trong WIS) cho từng nhiệm vụ cụ thể để biết chi tiết.
Nói chung, hệ thống 48V có thể được vô hiệu hóa bằng cách:
- Tắt hệ thống điện 12V.
- Ngắt dây mass (G1) của pin chính.
- Chờ ít nhất 10 giây để năng lượng phân tán hết.
- Và tất nhiên, phải đảm bảo không có nguồn điện ngoài nào kết nối (ví dụ: bộ duy trì pin).
5. Thông tin mở rộng về hệ thống
Trong hệ thống EQ Boost, không chỉ ISG được cấp điện bởi module 48V, mà còn có một số thiết bị tiêu thụ dòng lớn khác. Ví dụ, các mẫu xe trang bị EQ Boost được tích hợp:
- Bơm nước làm mát điện.
- Máy nén điều hòa điện.
- Hỗ trợ cho hệ thống treo và các hệ thống khác.
Hệ thống EQ Boost đã cho phép loại bỏ tất cả các phụ tải chạy bằng dây curoa, giảm tải cơ học cho động cơ, dẫn đến động cơ “beltless” trông siêu mát và hiện đại.
Mercedes-Benz cũng đã tích hợp E-ACTIVE BODY CONTROL (EABC) vào kiến trúc 48V, và thiết kế các động cơ treo có khả năng thu hồi điện năng khi giảm xóc, chuyển hóa trở lại để sạc pin 48V.
Đúng vậy… đi qua các ổ gà là bạn đang sạc pin.
Khi nhìn vào toàn bộ hệ thống tiên tiến này, và những gì các kỹ sư đã làm với EQ Boost, thật sự rất ấn tượng. Hệ thống này có khả năng cung cấp tính năng start-stop cực kỳ mượt mà, mượt đến mức người lái gần như không cảm nhận được.
Điều này là vì ISG gắn trên trục khuỷu có thể tăng tốc tới vòng tua không tải rất nhanh và mượt nhờ điều khiển công suất PWM. Ở bất kỳ tốc độ động cơ nào, động cơ điện có thể được đồng bộ với vòng tua động cơ để:
- Tăng sức mạnh cho trục khuỷu,
- Ngắt kết nối và trôi tự do (Sailing Mode),
- Hoặc cung cấp tăng áp nhẹ điện cho trục khuỷu khi động cơ tắt.
Điều này có nghĩa là trong điều kiện trôi xe (coasting) và kẹt xe (traffic creep), hệ thống có thể tắt sớm động cơ đốt trong, từ đó tăng hiệu quả nhiên liệu và giảm khí thải nhiều hơn so với start-stop truyền thống.
Mercedes-Benz cho biết ISG tạo ra khoảng 21 HP lực tăng thêm lên trục khuỷu khi được kích hoạt.
Các chức năng tái sinh năng lượng xảy ra trong chế độ Sailing cũng như khi giảm tốc, và đừng quên, họ thậm chí còn thu hồi năng lượng tái sinh trong quá trình này.
Một vấn đề quan trong nữa ít được để ý đến là dây xích hoặc dây đai liên kết giữa trục cam và trục khuỷu dễ bị mòn và hư hỏng đối với những xe có hệ thống start-stop sử dụng bộ đề 12V, trong một ngày nếu như Start-stop quá nhiều máy đề sẽ dẫn động mánh đà gây “shock” (không được mượt, êm ái). Và điều này sẽ gần như được khắc phục bởi hệ thoogns EQ Boost 48V của Mercedes-Benz. Motor có thể điều khiển tăng vòng tua một cách mượt mà khi khởi động không gây “Shock” mạnh như máy đề 12V trước kia.
Trên đây là toàn bộ thông tin về chủ đề 48 – Volts & Công nghệ trên Mercedes-Benz EQ Boost mà trung tâm VATC muốn gửi đến bạn. Hy vọng bài viết này sẽ bổ ích và hữu dụng với bạn.
Nếu bạn có đang đam mê hoặc muốn tìm hiểu về các khóa học trong ngành ô tô thì liên hệ ngay với trung tâm VATC theo thông tin dưới đây để được tư vấn chi tiết nhất nhé!
Trung Tâm Huấn Luyện Kỹ Thuật Ô Tô Việt Nam – VATC
- Địa chỉ: Số 4-6, Đường số 4, Phường Hiệp Bình Phước, Thành Phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
- Điện thoại: 0945711717
- Email: info@oto.edu.vn
Xem thêm:
