Mỗi lần xe khởi động, động cơ đề kéo một dòng rất lớn từ ắc quy, và điện áp trên đường nguồn 12 V tụt xuống trong vài phần nghìn giây. Với một ECU, đó là khoảnh khắc nguy hiểm nhất trong ngày: vi điều khiển có thể reset, bộ nhớ có thể hỏng, và một chức năng cần cho chính việc khởi động có thể ngừng đúng lúc cần nó nhất. Vì vậy mô phỏng khởi động nguội bằng một dạng sóng chuẩn hoá là phép thử bắt buộc trong kiểm định điện tử ô tô.
Bài này đi qua dạng sóng khởi động (starting profile) của ISO 16750-2:2023 — các tham số, bốn mức khắc nghiệt, tiêu chí trạng thái chức năng — rồi phân tích yêu cầu đặt lên nguồn DC dùng để tái tạo dạng sóng đó, những bẫy thực hành khi dựng trạm thử, và cấu hình thiết bị Keysight phù hợp.
Mô phỏng khởi động nguội: vì sao không thể dùng ắc quy thật
Điện áp ắc quy lúc đề phụ thuộc nhiệt độ, tình trạng ắc quy, độ nhớt dầu máy và chính động cơ đề. Thử bằng xe thật hay ắc quy thật cho ra kết quả không lặp lại được, và không thể đưa một ECU qua đúng cùng một điều kiện ở hai phòng thí nghiệm khác nhau. Tiêu chuẩn giải quyết bằng cách thay hiện tượng vật lý bằng một dạng sóng điện áp xác định, lặp lại được, do một nguồn DC lập trình tạo ra.
Phép thử này có lịch sử riêng. Trong ISO 7637-2:2004, sụt áp do cấp điện cho mạch động cơ đề được định nghĩa là xung 4; ở các phiên bản sau, nó được chuyển sang ISO 16750-2 dưới tên “starting profile”, còn xung 5a/5b chuyển thành phép thử load dump A và B. Khác biệt đáng chú ý: dạng sóng khởi động của ISO 16750-2 có thành phần hình sin chồng lên, trong khi ISO 7637-2 không có.
Tình huống chẩn đoán hệ thống khởi động trên xe thật — đo sụt áp, dòng đề, gợn sóng máy phát bằng máy hiện sóng — là một bài toán khác, đã được phân tích trong bài chẩn đoán hệ thống sạc và khởi động ô tô. Ở đây ta xét phía ngược lại: kiểm định linh kiện điện tử trước khi nó lên xe.
Dạng sóng khởi động theo ISO 16750-2:2023
Phiên bản hiện hành là ISO 16750-2 lần xuất bản thứ năm (07/2023), thay thế bản 2012; bản 2023 bổ sung phần giải thích các mức khắc nghiệt của phép thử khởi động. Dạng sóng ở mục 4.6.3 gồm năm đoạn:
- Sụt nhanh từ UB xuống US1 trong tfall = 5 ms — mô tả khoảnh khắc động cơ đề đóng mạch.
- Giữ đáy ở US1 trong t1 = 15 ms.
- Dốc lên trong t2 = 50 ms tới vùng điện áp khởi động.
- Vùng quay máy kéo dài t3, có một sóng sin 2 Hz biên độ 2 V đỉnh-đỉnh chồng lên, với US là đáy của dao động — mô phỏng dao động tải khi các xi-lanh lần lượt nén.
- Hồi phục về UB trong trise.
Với hệ 12 V, UB là 12 V (điện áp nguồn khi máy phát chưa chạy). Bảng 11 của tiêu chuẩn cho bốn mức sụt áp ắc quy 12 V:
| Tham số | Mức I | Mức II | Mức III | Mức IV |
|---|---|---|---|---|
| Tình huống | Khởi động ấm | Khởi động nguội, ắc quy tốt, nhiệt độ lạnh | Khởi động nguội, ắc quy cũ, nhiệt độ lạnh | Khởi động nguội, ắc quy tốt, nhiệt độ phòng |
| US1 (đáy) | 8 V | 4,5 V | 3 V | 6 V |
| US | 9,5 V | 6,5 V | 5 V | 6,5 V |
| t3 | 1 s | 10 s | 1 s | 10 s |
| trise | 40 ms | 100 ms | 100 ms | 100 ms |
Dung sai điện áp là +0/−0,2 V; tfall = 5 ms, t1 = 15 ms và t2 = 50 ms giống nhau ở cả bốn mức. Hệ 24 V có bảng riêng (Bảng 12) với ba mức, US1 = 10/8/6 V và US = 20/15/10 V. Phép thử chạy dạng sóng 10 lần, nghỉ tối thiểu 2 s giữa các chu kỳ (bản 2012 chỉ khuyến nghị nghỉ 1–2 s).
Một lưu ý về nguồn tài liệu: một số ghi chú ứng dụng của hãng bán dẫn tóm tắt mức khởi động ấm với US = 10,5 V cho hệ 12 V, khác với 9,5 V trong Bảng 11 của bản 2023. Khi viết quy trình thử, luôn lấy số trực tiếp từ bản tiêu chuẩn đang áp dụng. Ký hiệu cũng đã đổi: bản 2012 dùng US6, t6, t7, t8, bản 2023 dùng US1, t1, t2, t3.
Tiêu chí đạt: trạng thái chức năng theo mã dải điện áp
ISO 16750-2 không chỉ quy định dạng sóng mà còn quy định thiết bị phải hành xử thế nào. Với các chức năng liên quan tới việc vận hành xe trong lúc khởi động, bắt buộc trạng thái chức năng A — hoạt động bình thường trong và sau phép thử. Các chức năng khác được đánh giá theo mã dải điện áp nguồn của thiết bị (mục 4.2): mã A 6–16 V, B 8–16 V, C 9–16 V, D 10,5–16 V.
Ví dụ, thiết bị mã A phải đạt trạng thái A ở mức I và IV, trạng thái B ở mức II và III; thiết bị mã C hoặc D chỉ cần trạng thái B ở mức I và C ở ba mức còn lại. Logic rất trực quan: thiết bị khai báo dải điện áp làm việc rộng thì phải chịu sụt áp tốt hơn. Vì vậy mã dải điện áp nên được chốt từ giai đoạn đặc tả, trước khi thiết kế mạch nguồn.
Nguồn DC tuỳ biến dạng sóng: yêu cầu thật sự là gì
Tái tạo dạng sóng khởi động đòi hỏi một nguồn DC tuỳ biến dạng sóng với bốn năng lực, và mỗi năng lực có con số đo được:
- Tốc độ thay đổi điện áp. Đoạn sụt đầu tiên chỉ 5 ms. Nguồn phải kéo điện áp xuống nhanh hơn thế một cách rõ rệt, kể cả khi đầu ra có tụ lọc lớn của ECU — nghĩa là nguồn phải có khả năng hút dòng để xả tụ, không chỉ cấp dòng.
- Bộ nhớ dạng sóng đủ dài. Mức II và IV kéo dài hơn 10 s và có sóng sin 2 Hz bên trong. Nguồn dùng dạng sóng tuỳ ý với số điểm hữu hạn phải cân bằng giữa độ dài và độ phân giải thời gian.
- Dòng đỉnh. Khi điện áp hồi phục, tụ đầu vào của ECU nạp lại, tạo xung dòng. Nguồn bị giới hạn dòng sẽ làm méo sườn lên và thử sai dạng sóng.
- Ghi dòng đồng thời. Để biết ECU có reset hay không, cần ghi dòng tiêu thụ trong suốt phép thử, đồng bộ với dạng sóng áp.
Một bẫy phổ biến: dạng sóng được lập trình đúng nhưng điện áp tại chân ECU lại khác, do sụt áp trên dây nối ở dòng lớn. Luôn dùng cảm biến từ xa (remote sense) tại đầu nối của thiết bị thử, và kiểm tra dạng sóng thực tế bằng máy hiện sóng ở chính điểm đó. Hiệu ứng của sụt áp trên dây và remote sense đã được phân tích trong bài đáp ứng quá độ của nguồn DC: bước tải và remote sense.
Cấu hình thiết bị Keysight cho phép thử khởi động
Dòng N7900 Advanced Power System (APS) của Keysight được thiết kế cho kiểu thử này. Keysight N7951A là model 20 V, 50 A, 1 kW — phù hợp dải điện áp hệ 12 V. Theo datasheet 5991-2698EN, dòng N7900 có:
- Dạng sóng tuỳ ý tới 65 535 điểm, bước thời gian (dwell) cố định từ 10,24 µs tới 0,30 s cho toàn bộ dạng sóng; chế độ danh sách tới 512 bước.
- Thời gian lập trình điện áp lên 0,5 ms (10–90 %) và xuống 0,35 ms (90–10 %).
- Bộ số hoá dòng 18 bit, tốc độ tới 200 kS/s — ghi được xung dòng khi ECU reset hoặc khi tụ nạp lại.
- Muốn hút dòng tới 100 % định mức ở model 1 kW cần thêm bộ tiêu tán công suất N7909A.
Một phép tính nhanh cho dạng sóng mức II: tổng thời gian khoảng 10,17 s chia cho 65 535 điểm cho bước tối thiểu khoảng 155 µs, làm tròn lên bước khả dụng 163,84 µs — vẫn cho khoảng 3 000 điểm mỗi chu kỳ sin 2 Hz, thừa đủ độ phân giải, và đoạn sụt 5 ms vẫn có khoảng 30 điểm. Keysight cũng cung cấp gói dạng sóng mẫu cho ISO 16750-2 (starting profile, reset, load dump) dùng với N7900.
Với hệ 24 V, Keysight N7952A (40 V, 25 A, 1 kW) cùng dòng N7900 bao trùm các mức của Bảng 12. Khi ECU hoặc cụm tải có dòng lớn và cần trả năng lượng về lưới thay vì đốt thành nhiệt, Keysight RP7931A là nguồn tái sinh 20 V, ±400 A, 5 kW, cũng có dạng sóng tuỳ ý 65 535 điểm với bước 10,24 µs tới 0,30 s và thời gian lên/xuống 0,2 ms (10–90 %) theo datasheet 5992-2335EN.
Để xác nhận dạng sóng thực tế tại chân thiết bị thử và theo dõi tín hiệu reset, Keysight MSOX4154G là máy hiện sóng tín hiệu hỗn hợp 1,5 GHz với 16 kênh số — đủ để ghi đồng thời điện áp nguồn, dòng qua đầu dò dòng và các đường reset, watchdog của vi điều khiển.
Kết luận
Mô phỏng khởi động nguội theo ISO 16750-2 là phép thử có dạng sóng rất cụ thể — sụt trong 5 ms, đáy tới 3 V ở mức khắc nghiệt nhất, sóng sin 2 Hz trong tới 10 s, lặp 10 lần — và tiêu chí đạt phụ thuộc mã dải điện áp mà chính nhà thiết kế khai báo. Thử đúng đòi hỏi nguồn có dạng sóng tuỳ ý đủ dài, sườn đủ nhanh, hút được dòng, cộng với phép kiểm dạng sóng thực tại chân ECU. Một nguồn sai lệch vài trăm milivôn ở đáy dạng sóng đã đủ biến một phép thử mức III thành một phép thử dễ hơn tiêu chuẩn yêu cầu.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho nguồn DC lập trình, máy hiện sóng và đồng hồ vạn năng — bảo đảm độ chính xác điện áp và dòng của trạm thử điện tử ô tô có truy xuất nguồn gốc. Để được tư vấn cấu hình hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
