Nghiên cứu chế độ hãm tái sinh trong vận hành ô tô điện

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Back EMF Back Electromotive Force Sức phản điện động BLDCM Brushless DC Motor Động cơ một chiều không chổi than DCM Direct Current Motor Động cơ mộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHÙNG VĂN TRANG

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ HÃM TÁI SINH TRONG VẬN HÀNH Ô TÔ ĐIỆN

Chuyên ngành: Điều khiển – Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TẠ CAO MINH

Hà Nội – 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn cao học: “Nghiên cứu chế độ hãm tái sinh trong vận hành ô tô điện” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo

PGS.TS Tạ Cao Minh Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành bản luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 30 tháng 08 năm 2011

Học viên thực hiện

PHÙNG VĂN TRANG

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN………i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG iiii

DANH MỤC HÌNH VẼ iiii

MỞ ĐẦU vii

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN 1

1.1 Lịch sử phát triển của ô tô điện 1

1.2 Các dạng ô tô điện được sử dụng ngày nay 3

1.3 Các chế độ vận hành của ô tô điện 4

1.4 Đánh giá ưu nhược điểm của ô tô điện 6

Kết luận chương 1 7

CHƯƠNG 2 - ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG CHO Ô TÔ ĐIỆN 9

2.1 Lựa chọn động cơ truyền động dùng cho ô tô điện 9

2.1.1 Động cơ một chiều chổi than (DCM) 9

2.1.2 Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) 10

2.1.3 Động cơ từ trở (SRM) 11

2.1.4 Động cơ đồng bộ cực từ ẩn (IPM) 12

2.2 Động cơ một chiều không chổi than BLDC 13

2.2.1 Cấu tạo động cơ BLDC 13

2.2.2 Nguyên lý truyền động động cơ BLDC 18

2.2.3 Mô hình toán học động cơ BLDC 20

2.2.4 Đặc tính cơ truyền động động cơ điện một chiều không chổi than 23

2.3 Thông số động cơ BLDC dùng làm động cơ truyền động cho ô tô điện 25

Kết luận chương 2 26

CHƯƠNG 3 - CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG Ô TÔ ĐIỆN 27

3.1 Nghịch lưu làm việc với động cơ BLDC 27

3.1.1 Đi-ốt công suất 28

3.1.2 MOSFET 28

3.1.3 IGBT 29

3.1.4 Tính chọn thiết bị công suất cho mạch nghịch lưu 30

3.2 Phương pháp điều khiển dòng điện ba pha 31

3.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển dòng điện ba pha 31

3.2.2 Mô hình hóa hệ điều khiển dòng điện ba pha 33

3.2.3 Bộ điều khiển dòng điện dùng luật PI 35

3.2.4 Bộ điều khiển dòng dùng khâu trễ Hysteresis (HCC) 38

3.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men (DTC) 40

3.3.1 Ước lượng mô-men 40

3.3.2 Xây dựng bảng đóng ngắt 44

3.4 Mô phỏng và đánh giá kết quả 46

Cơ sở lý thuyết điều khiển dòng điện ba pha và điều khiển trực tiếp mô-men cho động cơ BLDC giúp ta xây dựng được mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink 46

3.4.1 Phương pháp điều khiển dòng điện ba pha 46

3.4.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men 52

Kết luận chương 3 58

CHƯƠNG 4 - NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ HÃM TÁI SINH TRONG VẬN HÀNH Ô TÔ ĐIỆN 59

4.1 Nguyên lý chung 59

4.2 Cấu hình điều khiển hãm tái sinh động cơ BLDC 62

4.2.1 Cấu hình sử dụng siêu tụ 62

4.2.2 Điều khiển hãm tái sinh chế độ hai van dẫn 64

4.2.3 Điều khiển hãm tái sinh chế độ một van dẫn 71

4.3 Xây dựng mô hình mô phỏng và đánh giá kết quả 75

Kết luận chương 4 80

KẾT LUẬN 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 85

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Back EMF Back Electromotive Force Sức phản điện động

BLDCM Brushless DC Motor Động cơ một chiều không chổi

than DCM Direct Current Motor Động cơ một chiều

DTC Direct Torque Control Điều khiển trực tiếp mô-men

HCC Hysteresis Current Control Điều khiển dòng điện dùng dải trễ

PWM Pulse - Width Modulation Điều chỉnh độ rộng xung

SRM Switched Reluctance Motor Động cơ từ trở

DANH MỤC CÁC BẢNG

BẢNG 2.1 SO SÁNH ĐẶC ĐIỂM MỘT SỐ LOẠI ĐỘNG CƠ [7] 13

BẢNG 3.1 GIÁ TRỊ GÓC ROTOR VÀ PHA DÒNG ĐIỆN 33

BẢNG 3.2 BẢNG CHỌN SECTOR THEO TÍN HIỆU CẢM BIẾN HALL 43

BẢNG 3.3 BẢNG TÍNH GIÁ TRị a, b, c THEO VỊ TRÍ ROTOR 44

BẢNG 3.4 BẢNG TRẠNG THÁI VAN 44

BẢNG 3.5 BẢNG CHỌN VECTOR 46

BẢNG 4.1 BẢNG CHỌN PHA VÀ VAN CHO HÃM TÁI SINH 66

BẢNG P.1 BẢNG THAM SỐ ĐỘNG CƠ 85

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Ô tô điện ở Đức năm 1904 2 

Hình 1.2 Mô hình ô tô hydrid song song [15] 4 

Hình 2.1 Đường cong quan hệ tốc độ- mô-men của động cơ một chiều[10] 10 

Hình 2.2 Động cơ từ trở tỷ lệ 6/4 [11] 11 

Hình 2.3 Động cơ đồng bộ cực từ ẩn từ thông hình sin 12 

Hình 2.4 Cấu tạo động cơ BLDC 14 

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý động cơ BLDC 14 

Hình 2.6 Các dạng rotor của động cơ BLDC 15 

Hình 2.7 Nguyên lý cảm biến vị trí rotor kiểu quang điện 16 

Hình 2.8 Tín hiệu Hall và pha dòng, pha sức phản điện [2] 17 

Hình 2.9 Sức phản điện động và dòng điện các pha của động cơ BLDC [2] 19 

Hình 2.10 Cấu trúc phần lực truyền động động cơ BLDC 19 

Hình 2.11 Đồ thị dòng điện và sức điện động khi điều chế PWM 20 

Hình 2.12 Đặc tính cơ của truyền động động cơ BLDC 24 

Hình 3.1 Nghịch lưu ba pha 27 

Hình 3.2 Trạng thái dòng điện qua đi-ốt khi chuyển từ dẫn sang khóa [15] 28 

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc MOSFET (a) và quan hệ iD(uDS) (b) [15] 29 

Hình 3.4 Ký hiệu van IGBT 30 

Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển dòng điện ba pha 32 

Hình 3.6 Mô hình điều khiển một pha động cơ BLDC 36 

Hình 3.7 Sơ đồ mạch vòng dòng điện tối giản một pha động cơ BLDC 36 

Hình 3.8 Mô hình điều mạch vòng điều chỉnh tốc độ động cơ BLDC 38 

Hình 3.8 Dòng điện, sức phản điện động trong điểu khiển dòng dùng dải trễ 39 

Hình 3.9 Quỹ đạo từ thông không tròn với 6 “gai” trong một chu kỳ 40 

Hình 3.10 Cấu trúc DTC điều khiển động cơ BLDC [16] 41 

Hình 3.11 Dạng lý tưởng của các hàm ( ), ( ), ( )f a θr f b θr f c θr 42 

Hình 3.12 Sơ đồ ước lượng mô-men điện từ 44

Hình 3.13 Trạng thái đóng ngắt van (a) và vector điện áp (b) [18] 45 

Hình 3.14 Phân tích ảnh hưởng các vector điện áp 45 

Hình 3.15 Mô hình động cơ BLDC 47 

Hình 3.16 Mô hình điều khiển dùng luật PI 48 

Hình 3.17 Đáp ứng tốc độ theo tốc độ đặt của động cơ 48 

Hình 3.18 Dòng điện pha a 49 

Hình 3.19 Đáp ứng mô-men 49 

Hình 3.20 Sức phản điện động EMF pha a 49 

Hình 3.21 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ BLDC dùng dải trễ 50 

Hình 3.22 Đáp ứng tốc độ động cơ 50 

Hình 3.23 Dòng điện pha a 51 

Hình 3.24 Đáp ứng mô-men 51 

Hình 3.25 Sức phản điện động pha a 51 

Hình 3.26 Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp mô-men 53 

Hình 3.27 Cấu trúc bên trong khối DTC 53 

Hình 3.28 Đáp ứng tốc độ theo tốc độ đặt của động cơ 54 

Hình 3.29 Dòng điện stator pha a 54 

Hình 3.30 Đáp ứng mô-men 54 

Hình 3.31 Sức phản điện động EMF pha a 55 

Hình 3.32 Dòng điện pha a 56 

Hình 3.33 Đáp ứng mô-men 56 

Hình 3.34 Sức phản điện động pha a 56 

Hình 3.35 Dòng điện pha a 57 

Hình 3.36 Mô-men điện từ 57 

Hình 3.37 Sức phản điện động pha a 57 

Hình 4.1 Mặt phẳng tọa độ mô-men – tốc độ 60 

Hình 4.2 Sức phản điện và dòng điện các pha ở chế độ động cơ (a) , 61 

hãm tái sinh (b) 61 

Hình 4.3 Cấu hình điều khiển hãm tái sinh dùng siêu tụ [6] 63

Hình 4.4 (a) Cấu trúc mạch lực điều khiển động cơ BLDC, (b) dạng sóng và pha

của các tín hiệu phản hồi [2] 65 

Hình 4.5 Chế độ hãm tái sinh ở vùng 1 (a) sơ đồ tương đương (b) Dạng sóng dòng đầu vào, tín hiệu điều khiển van S3 và S4 [24] 66 

Hình 4.6 Dạng sóng của dòng điện và điện áp cuộn cảm, tín hiệu đóng ngắt van S3 và S4 (a) Dòng gián đoạn (b) Dòng liên tục 68 

Hình 4.7 Hãm tái sinh một van dẫn trong góc phần sáu thứ nhất 72 

Hình 4.8 Pha dòng điệnứng với trạng thái đóng ngắt các van 72 

Hình 4.9 Thuật toán điều khiển dòng điện góc phần sáu thứ nhất 73 

Hình 4.10 Phương pháp phát xung PWM góc dẫn 1200[22] 74 

Hình 4.11 Phương pháp phát xung PWM góc dẫn 1800 74 

Hình 4.12 Sơ đồ điều khiển tổng quát động cơ BLDC 75 

Hình 4.13 Điều khiển động cơ BLĐC ở chế độ động cơ và hãm tái sinh 76 

Hình 4.14 Đáp ứng tốc độ 77 

Hình 4.15 Dòng điện pha a 77 

Hình 4.16 Pha sức phản điện động và dòng điện pha a 77 

Hình 4.17 Dòng điện ba pha khi hãm tái sinh 78 

Hình 4.18 Đáp ứng mô-men động cơ 78 

MỞ ĐẦU

Trong số các phương tiện giao thông vận tải, ô tô có lẽ được lựa chọn nhiều nhất bởi tính linh hoạt, an toàn và kinh tế Với lịch sử phát triển hơn 100 năm, sự tiến bộ của khoa học công nghệ đã giúp ngành công nghiệp ô tô đáp ứng nhu cầu đi lại, vận chuyển của con người ở mọi lúc, mọi nơi với chất lượng ngày càng cao Đa phần ô tô hiện nay sử dụng động cơ đốt trong với nhiên liệu hóa thạch là xăng hay dầu diesel

Những năm gần đây nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch tăng đột biến nhằm đáp ứng mục tiêu phát triển kinh tế ở các quốc gia trong khi nguồn cung cấp đang cạn dần Mối quan hệ giữa cung và cầu đã dẫn tới các cuộc khủng hoảng dầu

mỏ, ảnh hưởng tiêu cực tới nền kinh tế, mức sống người dân Mặt khác vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải và tiếng ồn đang là thách thức với chúng ta trên toàn thế giới Đây chỉ là hai trong số những lý do thúc đẩy việc tìm phương tiện thay thế

ô tô gắn động cơ đốt trong Giải pháp được tìm ra là sử dụng ô tô điện

Ô tô điện đã có từ lâu nhưng gần đây mới được phát triển toàn diện Với đặc điểm sử dụng nhiên liệu sạch, không phát khí thải và ít rung ồn, ô tô điện là phương tiện thân thiện với môi trường Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của ô tô điện nằm ở quãng đường vận hành ngắn do dung lượng nguồn cấp từ ắc-qui có hạn Vậy nhu cầu đặt ra ta cần quản lý có hiệu quả việc sử dụng năng lượng trong quá trình vận hành xe

Động cơ truyền động ô tô điện có hai chế độ làm việc chính là chế độ động

cơ và chế độ hãm tái sinh Trong khi động cơ truyền động tiêu thụ năng lượng từ nguồn khi vận hành ở chế độ độn cơ, nó phát năng lượng trở lại nguồn khi xe hãm tái sinh Từ đó giải pháp quan trọng đặt ra là ta cần nghiên cứu điều khiển hãm tái sinh động cơ truyền động để thu lại năng lượng trong quá trình hãm Đề tài này mang ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu chế tạo và vận hành hiệu quả ô tô điện Chính lý do đó, dưới sự hướng dẫn của PGS TS Tạ Cao Minh – người có nhiều

năm nghiên cứu và bằng sáng chế về ô tô điện, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu chế độ hãm tái sinh trong vận hành ô tô điện” trong luận văn này

Mục đích của luận văn là nghiên cứu chế độ hãm tái sinh của động có truyền động ô tô điện – động cơ một chiều không chổi than Để thực hiện điều đó, tác giả

đề xuất phương án điều khiển nghịch lưu cấp nguồn cho động cơ sao cho dòng năng lượng có thể đi theo hai chiều: từ nguồn tới động cơ và ngược lại tương ứng với chế

độ động cơ và chế độ hãm tái sinh

Trong quá trình thực hiện, tác giả nghiên cứu các phương pháp điều khiển động cơ một chiều không chổi than ở các chế độ làm việc khác nhau dựa trên các bài báo , tạp chí đã công bố Từ quá trình tìm hiểu, tác giả phân tích lựa chọn phương án điều khiển phù hợp với vận hành ô tô điện và xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink Chất lượng điều khiển được đánh giá thông qua phân tích kết quả thu được từ mô hình mô phỏng

Sau thời gian nghiên cứu động cơ truyền động cho ô tô điện và chế độ hãm tái sinh, luận văn đã được hoàn thành và được trình bày trong bốn chương:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về ô tô điện bao gồm lịch sử phát triển, các

dạng ô tô điện hiện hành, chế độ làm việc và đánh giá ưu nhược điểm của ô tô điện

Chương 2: Tìm hiểu động cơ một chiều không chổi than sử dụng làm động

cơ truyền động cho xe Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và mô hình toán học của động

cơ được xây dựng phục vụ cho quá trình nghiên cứu điều khiển trong các chế độ làm việc khác nhau của động cơ truyền động

Chương 3: Xây dựng mô hình điều khiển động cơ một chiều không chổi

than làm việc ở chế độ động cơ – chế độ tiêu thụ năng lượng từ nguồn

Chương 4: Nghiên cứu các phương pháp điều khiển hãm tái sinh động cơ

truyền động, lựa chọn phương án phù hợp và xây dựng mô hình mô phỏng, đánh giá tính đúng đắn của thuật toán và chất lượng điều khiển

Do thời gian có hạn và còn hạn chế về mặt kiến thức cũng như điều kiện thực hành, luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót Vì thế, tác giả kính mong nhận được những góp ý và nhận xét của các thầy cô nhằm giúp luận văn được hoàn thiện hơn, tạo điều kiện triển khai vào thực tế

Hà nội, ngày 30 tháng 8 năm 2011

Học viên thực hiện

PHÙNG VĂN TRANG

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN

1.1 Lịch sử phát triển của ô tô điện

Ô tô điện đã trải qua những bước thăng trầm trong lịch sử phát triển Từ sự khởi đầu mạnh mẽ trong thế 19 rồi nhanh chóng bị thay thế bằng động cơ đốt trong trong cả chiều dài thế kỷ 20, ngày nay ô tô điện đang dần lấy lại vị thế hàng đầu trong ngành công nghiệp ô tô

Thế kỷ 19 mở đầu cho cuộc cạnh tranh giữa động cơ điện và động cơ đốt trong trong ngành công nghiệp sản xuất phương tiện giao thông vận tải Chiếc xe điện đầu tiên được sản xuất vào khoảng năm 1832 đến năm 1839 do Robert Anderson người Scotland Cùng thời gian đó, năm 1835 giáo sư Straitingh người Hà Lan cùng trợ lý Christopher Becker đã chế tạo loại xe điện cỡ nhỏ Năm 1859 ở Bỉ, Gaston Plante lần đầu tiên thiết kế thành công ắc-qui axit-chì dùng cho xe điện mở đường cho sự khởi đầu hưng thịnh ngành này Tuy nhiên cùng thời điểm đó, năm

1877, German Nikolaus August Otto phát minh ra động cơ đốt trong bốn kỳ Những năm 1880 xe điện được sử dụng rộng rãi ở Anh và sau đó ở Pháp và Mỹ Thời điểm này xe điện được coi là phương tiện của thời đại vì chạy tốt, không ồn và dễ sử dụng

Mặc dù có bước khởi đầu đầy hứa hẹn nhưng ô tô điện sớm phải đối mặt với thách thức về công nghệ: khả năng vận hành hạn chế do vấn đề điều khiển động cơ, phạm vi hoạt động ngắn, thời gian nạp điện cho ác-qui dài… Xe ô tô điện thông thường có tốc độ không quá 20km/h và đi được tối đa 50km trước khi phải sạc điện Những ưu điểm của ô tô điện không khỏa lấp được tồn tại này, vì vậy động cơ điện

bị thay thế bằng động cơ đốt trong Đầu thế kỷ 20 đánh đấu sự phát triển công nghiệp dầu mỏ với việc tìm ra dầu thô ở Texas khiến giá dầu giảm đáng kể Mặt khác nhu cầu đi lại của con người tăng đòi hỏi phương tiện phải có tầm hoạt động rộng và linh hoạt Cũng trong khoảng thời gian này Charles Kettering đã phát minh

ra động cơ chạy xăng và Henry Ford chế tạo được động cơ đốt trong giá thành hạ Tất cả những yếu tố trên trực tiếp giúp ô tô sử dụng động cơ đốt trong chiếm ưu thế

vượt trội so với ô tô chạy điện và các nhà sản xuất ô tô điện trước kia chuyển sang chế tạo ô tô dùng động cơ đốt trong

Hình 1.1 Ô tô điện ở Đức năm 1904 Tuy nhiên sự thống trị của động cơ đốt trong trong những năm của thế kỷ 20 không có nghĩa xe điện không còn được nghiên cứu hay sử dụng Những năm 1920

ở Pháp do có hạ tầng dành cho xe điện rộng khắp và chính sách không muốn phụ thuộc vào dầu mỏ đã thúc đẩy việc chế tạo và sử dụng xe điện trong mạng lưới giao thông công cộng Cũng vậy ở Mỹ, năm 1927 có khoảng 6000 xe ô tô điện hoạt động trên đường

Như lời nhà nghiên cứu người Pháp Mathieu Flonneau đã nhận định rằng xe điện mới chỉ ở giai đoạn đầu của thời kỳ phát triển, mặc dù nó đang bị xe gắn động

cơ đốt trong dẫn trước nhưng nó sẽ trở lại ở những thời điểm đặc biệt như chiến tranh hay khủng hoảng dầu mỏ

Năm 1973, cuộc khủng hoảng dầu mỏ xảy ra khiến các nước và các nhà sản xuất có xu hướng quay lại với phương tiện không dùng nhiên liệu hóa thạch Xe điện thực sự là lựa chọn số một cho xu hướng này Các tổ chức chuyên về xe điện được thành lập khắp thế giới: Electric Vehicle Council ở Mỹ, Tokyo Electric Power

Co ở Nhật Bản, the Electricity Council ở Anh… Hàng loạt mẫu xe mới được

nghiên cứu phát triển giải quyết phần nào các nhược điểm cố hữu của xe dùng động

cơ điện Năm 1974 công ty Sebring-Vanguard trụ sở tại Mỹ đưa vào sản xuất hàng loạt mẫu xe ô tô điện CitiCar Hàng nghìn chiếc đã được sản xuất và tiêu thụ Năm

1980 Peugeot và Renault chế tạo thành công ắc-qui Saft cho phép xe điện chạy với vận tốc 100km/h và có thể chạy liên tục 140km… Mặc dù vậy xe ô tô điện được sản xuất trong những năm 80 của thế kỷ trước có giá thành cao và chưa thành sự lựa chọn của người tiêu dùng

Trong những năm gần đây vấn nạn ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng Ô nhiễm không khí và tiếng ồn, đặc biệt tại các thành phố lớn, khiến các chính phủ và tổ chức trên thế giới khuyến khích sử dụng xe dùng nhiên liệu thay thế xăng dầu Đây một lần nữa là cơ hội để xe ô tô điện được nghiên cứu phát triển hoàn thiện Thêm vào đó sự tiến bộ của các ngành khoa học công nghệ dần giải quyết vấn đề nguồn một chiều sử dụng trong ô tô Ắc-qui dung lượng lớn giúp xe có thể chạy xa cũng như vận hành linh hoạt hơn Các bộ điều khiển nhanh chóng được phát triển đáp ứng tốt những yêu cầu đặt ra của một xe trong thế kỷ mới Thực tế chứng minh bằng việc ra đời xe Prius do Toyota sản xuất Đây là loại xe kết hợp động cơ đốt trong và động cơ điện Sản phẩm Prius thực sự khẳng định ô tô điện đã sẵn sàng cạnh tranh với các loại ô tô khác trên thị trường

1.2 Các dạng ô tô điện được sử dụng ngày nay

Trong giai đoạn nửa cuối thế kỷ 20 đã có một số thay đổi lớn ảnh hưởng tới

sự phát triển của EV, làm cho EV có sức hấp dẫn nhiều hơn đối với người tiêu dùng

Thứ nhất, cuộc sống đi lên, con người ngày càng quan tâm nhiều hơn tới việc bảo vệ môi trường sống, đặc biệt ở các thành phố lớn nơi lượng khí thải CO2 và các khí độc hại khác vượt xa chỉ số cho phép

Thứ hai, khoa học kỹ thuật phát triển đang dần giúp ô tô điện đi vào thực tế Hiện nay chúng ta có ắc-qui cho phép nạp nhiều lần, nhiều loại động cơ cũng như các phương pháp điều khiển khiến phù hợp trong vận hành ô tô điện Ví dụ , phát

minh về ắc-qui nhiên liệu (Fuel Cells) của William Grove vào năm 1940 được ứng dụng vào EV đã đánh dấu bước phát triển mới trong việc chế tạo và sản xuất EV

Hiện nay chúng ta có thể chia EV thành sáu dạng như sau:

+ Ô tô điện sử dụng ắc-qui truyền thống

+ Ô tô lai (Hybrid Vehicle): kết hợp sử dụng ắc-qui và động cơ đốt trong Đây là dạng ô tô đang thịnh hành

+ Ô tô sử dụng nhiên liệu có thể thay thế như nguồn năng lượng sử dụng qui nhiên liệu,…

ắc-+ Ô tô được cấp bởi đường dây điện trên không (Power lines)

+ Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời

+ Ô tô sử dụng siêu tụ

1.3 Các chế độ vận hành của ô tô điện

Thực chất khi nghiên cứu các chế độ vận hành của ô tô điện ta đi nghiên cứu các chế độ làm việc của động cơ truyền động cho xe Động cơ truyền động có hai chế độ làm việc chính là chế độ động cơ và chế độ hãm tái sinh Hai chế độ này khác nhau cơ bản ở điểm động cơ truyền động tiêu thụ năng lượng từ nguồn (chế độ động cơ) hay trả năng lượng lại nguồn (chế độ hãm tái sinh)

Hình 1.2 Mô hình ô tô hydrid song song [15]

Hình 1.2 đưa ra sơ đồ tổng quát của ô tô hydrid với việc sử dụng song song động cơ đốt trong và động cơ điện ICE (Internal Combustion Engines) là động cơ đốt trong sử dụng dầu diesel hoặc xăng Khối điều khiển động cơ điện bao gồm nguồn ắc-qui BAT (Battery), mạch nghịch lưu INV (Inverter) và bộ điều khiển CTrl (Controller) Động cơ điện EM (Electric Motor) và động cơ đốt trong ICE đều đượng ghép nối với hộp số GB (Gear Box) phục vụ vận hành động cơ theo nhu cầu người điều khiển Ở đây ta chỉ xem xét chế độ hoạt động của động cơ điện và bộ điều khiển

Nguyên lý làm việc của động cơ điện truyền động trong hình 1.2 có thể tóm tắt như sau: tùy theo tín hiệu điều khiển của người vận hành mà bộ điều khiển Ctrl

xử lý và đưa tín hiệu điều khiển là các xung đóng ngắt van trong bộ nghịch lưu INV nhằm thay đổi điện áp cấp cho các pha động cơ EM Nguồn cấp cho bộ nghịch lưu

là nguồn một chiều BAT

Khi động cơ làm việc ở chế độ động cơ nghĩa là bộ điều khiển đưa ra xung đóng ngắt các van của nghịch lưu thỏa mãn điều kiện động cơ đáp ứng tải và lúc đó

nó tiêu thụ công suất từ nguồn cung cấp Dòng công suất có chiều từ BAT tới INV

và tới động cơ EM theo đường (1)

Chế độ hãm của ô tô tương ứng với chế độ hãm của động cơ EM Thực chất

ta chỉ quan tâm tới chế độ hãm tái sinh của động cơ truyền động vì một mặt ta cần dừng động cơ, mặt khác cần thu năng lượng của quá trình hãm tái sinh vào ắc-qui, ắc-qui hay bộ lưu điện tạm thời Nghiên cứu chế độ hãm tái sinh của động cơ truyền động là quan trọng bởi lẽ tồn tại cơ bản của ô tô điện là phạm vi hoạt động ngắn Mặc dù công nghệ thay đổi cho phép chúng ta chế tạo được ắc-qui có công suất và dung lượng lớn nhưng vẫn chưa đủ đáp ứng nhu cầu vận hành ô tô điện Việc nghiên cứu chế độ hãm tái sinh cho động cơ truyền động cho phép ta thu lại phần năng lượng trong quá trình hãm trong các trường hợp như xe đổ dốc hay phanh dừng Một cách khái quát, khi người điều khiển đưa ra tín hiệu hãm (tái sinh), bộ điều khiển Ctrl phát xung vào khối nghịch lưu INV và đảm bảo dòng năng lượng đi

theo chiều từ động cơ trở về nguồn theo đường (2) Nội dung của thuật toán hãm tái sinh là đối tượng chính trong luận văn này và sẽ được giải quyết trong những phần sau

1.4 Đánh giá ưu nhược điểm của ô tô điện

Bằng việc sử dụng động cơ điện để truyền động, xe điện nói chung và ô tô điện nói riêng có nhiều ưu điểm so với các loại xe khác

Thứ nhất, xe điện có khả năng điều khiển nhanh và chính xác Động cơ đốt trong có thời gian đáp ứng mô men khoảng 100-200ms trong khi động cơ điện đáp ứng mô-men trong 10-20ms Hơn nữa không như động cơ đốt trong, động cơ điện

có thể điều chỉnh chính xác mô men dẫn tới độ an toàn của người điều khiển và xe được cải thiện

Thứ hai, việc sử dụng động cơ truyền động là động cơ điện sẽ cải thiện được chất lượng điều khiển chuyển động của xe Động cơ điện kích thước nhỏ gọn có thể tích hợp trực tiếp hoặc truyền động cho từng bánh xe thông qua một bộ truyền với

tỷ số truyền duy nhất Động cơ điện có khả năng điều khiển chính xác hơn động cơ đốt trong và các vấn đề trong chuyển động của xe như trượt hoặc mất ổn định bên

có thể được giải quyết bằng các thuật toán điều khiển động cơ

Xét về khía cạnh kinh tế, xe điện giúp người dùng giảm chi phí Mặc dù đầu

tư ban đầu cho xe có thể lớn hơn so với xe dùng động cơ đốt trong nhưng chi phí vận hành lại thấp hơn Cụ thể, việc sử dụng điện năng rẻ hơn dùng dầu diesel hay xăng và chạy xe không cần đầu tư bảo dưỡng như thay dầu bôi trơn với động cơ đốt trong Mặt khác động cơ điện ngoài chế độ động cơ tiêu thụ năng lượng từ nguồn cấp còn có chế độ hãm tái sinh truyền năng lượng trở lại nguồn Năng lượng trong quá trình hãm này được thu lại giúp giảm lượng năng lượng tiêu thụ Do thân thiện với môi trường mà việc vận hành xe điện gần như không cần chi phí xử lý ô nhiễm môi trường do xe gây ra

Cuối cùng, xe điện chạy không rung ồn, không phát ra khí thải Vấn đề ô nhiễm tiếng ồn hay khí thải hiện hữu ở mọi lúc, mọi nơi trên thế giới Ưu điểm này của xe điện ngày càng đưa nó cạnh tranh với xe dùng động cơ đốt trong

Tuy xe điện có nhiều ưu điểm kể trên nhưng nó cũng mang những nhược điểm cố hữu

Một là, thời gian sạc ắc-qui lâu Đây là vấn đề lớn của xe điện trong thời điểm hiện nay Mặc dù công nghệ mới tạo ra ắc-qui có dung lượng lớn hơn, thời gian sạc nhanh hơn nhưng tối thiểu cần 10 phút mới có thể sạc đầy ắc-qui Thời gian này là quá lâu so với đổ đầy bình xăng Trong thực tế cũng có nhiều nghiên cứu giúp cải thiện nhược điểm này của xe điện như giáo sư Hoiri người Nhật Bản đang phát triển nạp điện cho ô tô không cần dây dẫn Theo đó dưới mặt đường sẽ có các vòng dây dẫn Khi ô tô chạy qua các vòng dây thì ắc-qui của ô tô sẽ được nạp điện mà không cần dừng xe Hướng đi này đã đạt được những kết quả bước đầu nhưng cũng cần thời gian và đầu tư lớn vào cơ sở hạ tầng mới đưa vào thực tế

Hai là, quãng đường chạy cho một lần sạc ắc-qui vẫn còn hạn chế Điều này được lý giải là do dung lượng ắc-qui bị hạn chế Quãng đường dài nhất mà xe điện

có thể đạt được trong một lần sạc ắc-qui là chừng 350km Mặt khác việc sạc ắc-qui cho xe không thuận tiện trong thời điểm hiện tại vì xe điện còn chưa phổ biến dẫn tới trạm sạc ắc-qui chưa nhiều

Cuối cùng, trọng lượng ắc-qui lớn Ta lấy một ví dụ đơn giản khi so sánh hai

xe ô tô chạy quãng đường 50km Với ô tô dùng động cơ đốt trong trung bình cần mang 4kg nhiên liệu trong khi xe điện cần mang ắc-qui có khối lượng 270kg Nếu muốn giảm khối lượng của ắc-qui thì cần sạc nhiều lần và như vậy sẽ mất nhiều thời gian hơn so với xe dùng động cơ đốt trong Qua đây ta có thể thấy nhược điểm về nguồn vẫn là vấn đề cố hữu của xe điện

Kết luận chương 1

Chương một đã giới thiệu lịch sử phát triển của ô tô điện, các chế độ vận hành cho xe cũng như đánh giá ưu nhược điểm của xe điện nói chung và ô tô điện

nói riêng Đây là cơ sở tạo tiền đề cho việc xây dựng cấu trúc điều khiển trong các chương tiếp theo Vấn đề tiếp theo cần nghiên cứu là loại động cơ nào được lựa chọn truyền động cho ô tô điện Chương hai sẽ đi vào chi tiết một loại động cơ thường dùng cho truyền động xe điện Đó là động cơ một chiều không chổi than BLDC

CHƯƠNG 2 - ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG CHO Ô TÔ ĐIỆN

2.1 Lựa chọn động cơ truyền động dùng cho ô tô điện

Việc lựa chọn động cơ truyền động dùng cho xe điện phụ thuộc vào loại xe:

xe máy điện, xe ô tô điện, hay xe vận tải điện Với ô tô điện, thông thường ta có bốn

sự lựa chọn là động cơ một chiều chổi than, động cơ đồng bộ cực từ ẩn, động cơ một chiều không chổi than và động cơ từ trở Mỗi loại loại động cơ có đặc điểm về cấu tạo cũng như nguyên lý vận hành riêng Để lựa chọn loại động cơ thích hợp nhất, sau đây ta tìm hiểu tổng quan các loại động cơ trên

2.1.1 Động cơ một chiều chổi than (DCM)

Về cơ bản động cơ một chiều bao gồm phần tĩnh stator, phần động rotor và

bộ chuyển mạch (chổi than và vành góp) Theo những phân tích của Hobkinson & Fenton [10], động cơ một chiều thích hợp nhất ở dải công suất nhỏ vì hệ thống chuyển mạch được gắn trực tiếp trên động cơ Động cơ một chiều chổi than có ưu điểm nổi bật là dễ điều khiển, chất lượng điều khiển rất cao và vận hành đơn giản Tuy nhiên nó cũng mang nhược điểm nhất định Tồn tại lớn nhất của động cơ một chiều nằm ở chổi than và khối lượng lớn của hệ truyền động khi so sánh với các dạng động cơ khác Khi dải công suất tăng lên sẽ xuất hiện nhiều vấn đề liên quan tới chuyển mạch Chuyển mạch trong động cơ một chiều bị giới hạn ở mức 200Hz khi vận hành ở tốc độ cao Vấn đề chuyển mạch ở tốc độ cao dẫn tới tuổi thọ chổi than giảm, tuổi thọ lớp tản nhiệt và cách điện cũng giảm theo

Đường cong quan hệ giữa tốc độ và mô-men được nghiên cứu thực nghiệm cho động cơ một chiều trong nhiều năm thể hiện trên hình 2.1 Động cơ một chiều

có thể sử dụng trong xe điện với dải công suất tối đa 45kW vì nếu công suất lớn hơn vấn đề về kết cấu phần cơ, ví dụ tản nhiệt cho rotor, trở lên phức tạp Tất cả những nhược điểm này của động cơ một chiều chổi than có thể được giải quyết bằng việc

sử dụng động cơ một chiều không chổi than

Hình 2.1 Đường cong quan hệ tốc độ- mô-men của động cơ một chiều[10]

2.1.2 Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)

Thuật ngữ động cơ một chiều không chổi than BLDC dễ gây nhầm lẫn với việc động cơ này có cấu tạo như động cơ một chiều thông thường Tuy nhiên động

cơ BLDC lại là động cơ xoay chiều đồng bộ mà vị trí rotor được phản hồi lại thông qua các cảm biến vị trí Động cơ BLDC có kết cấu cơ học khác biệt so với động cơ một chiều chổi than ở điểm nó không có bộ chuyên mạch gắn trên động cơ Rotor được tạo thành bằng cách ghép nối tiếp nhiều tấm nam châm vĩnh cửu lại với nhau

Tuy có cấu trúc là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nhưng đường đặc tính cơ của động cơ BLDC lại giống đặc tính cơ của động cơ điện một chiều chổi than Việc chuyển pha thực hiện bởi các van đóng ngắt bên ngoài khiến thuật toán điều khiển phức tạp hơn điều khiển động cơ một chiều thông thường Chi tiết cấu tạo và các phương pháp điều khiển sẽ được tác giả trình bày cụ thể ở những phần sau

Động cơ BLDC được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống xe điện ở Mỹ [10] Rotor của động cơ làm lạnh bằng dầu bôi trơn bên trong Sử dụng bộ chuyển mạch bên ngoài là các van điện tử giúp tần số chuyển mạch giữa các pha tăng lên vượt trội so với động cơ một chiều, vì vậy động cơ BLDC có khả năng vận hành ở tốc độ rất cao Cấu trúc cơ chắc chắn, làm việc ổn định và thuật điều khiển tương đối đơn

giản khi so với động cơ từ trở hay động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn khiến động cơ BLDC là lựa chọn số một cho ô tô điện

2.1.3 Động cơ từ trở (SRM)

Động cơ từ trở ra đời cách đây hơn 150 năm nhưng những ứng dụng trong thực tế chỉ phổ biến trong những năm gần đây khi khoa học công nghệ phát triển Động cơ từ trở có những ưu điểm là cấu tạo chắc chắn, sinh mô-men hiệu suất cao, kích thước nhỏ và không có chổi than hay vành góp Dây quấn trong động cơ từ trở chỉ ở stator, không có dây quấn hay nam chân vĩnh cửu ở rotor nên tiết kiệm được vật liệu Mặt khác dây quấn chỉ quấn quanh một cực và không bị phân tán như động

cơ xoay chiều khác nên rõ ràng động cơ từ trở có ưu điểm về khía cạnh kinh tế Động cơ từ trở cũng có thể hoạt động cơ bốn góc phần tư, khả năng làm việc ở tốc

độ rất cao đến 100000 vòng/phút Những ưu điểm này khiến động cơ từ trở được ưa dùng trong môi trường làm việc khắc nghiệt, sinh mô-men lớn như trong xe điện [11]

Hình 2.2 Động cơ từ trở tỷ lệ 6/4 [11]

Tuy nhiên động cơ từ trở cũng có những nhược điểm lớn Thứ nhất, mô-men đập mạch mạnh và khi hoạt động gây ra tiếng ồn Vận hành động cơ từ trở rất phức tạp vì không đơn giản chỉ cấp điện vào dây quấn stator là động cơ sẽ quay Vì lý do

đó nên dù có cấu tạo đơn giản, chắc chắn nhưng chỉ những thập niên gần đây khi công nghệ vi xử lý tiến bộ nhanh, động cơ từ trở mới dần đi vào ứng dụng thực tế

2.1.4 Động cơ đồng bộ cực từ ẩn (IPM)

Động cơ đồng bộ cực từ ẩn thuộc nhóm động cơ đồng bộ có kích từ nam châm vĩnh cửu Ở động cơ đồng bộ cực từ ẩn, nam châm vĩnh cửu được được đặt kín trong rotor Vật liệu làm nam châm là vật liệu từ có mật độ từ cao, tổn thất từ và

độ nhụt từ nhỏ, khả năng tái nạp từ tốt, chịu nhiệt cao và giá thành hạ

Hình 2.3 Động cơ đồng bộ cực từ ẩn từ thông hình sin Động cơ IPM có những ưu điểm giúp nó cạnh tranh được với động cơ rotor lồng sóc Động cơ bền về cơ học, cho phép chạy ở tốc độ cao và hoạt động trên định mức rất tốt Tổn hao (sắt+đồng) nhỏ do chỉ có dây quấn trên stator, rotor là nam châm vĩnh cửu giúp động cơ IPM vận hành hiệu suất cao Một ưu điểm khác của động cơ đồng bộ cực từ ẩn là khả năng sinh mô-men lớn cũng như dễ dàng điều khiển ổn định mô-men khiến việc điều khiển tốc độ động cơ tương đối đơn giản Tuy nhiên, động cơ IPM cũng có nhược điểm thể hiện ở giá thành sản xuất cũng như chi phí vận hành Động cơ IPM có giá thành cao, bộ điều khiển thường dùng thiết bị điện tử công suất làm tăng đầu tư cũng như chi phí vận hành Mặc dù vậy động cơ đồng bộ cực từ ẩn vẫn là một lựa chọn hợp lý trong vận hành ô tô điện

Qua phân tích bốn loại động cơ ta đưa ra bảng so sánh

Stato

R«to

BẢNG 2.1 SO SÁNH ĐẶC ĐIỂM MỘT SỐ LOẠI ĐỘNG CƠ [7]

Stator +Rotor Công suất/Khối lượng Khá cao Cao Cao Thấp

Khả năng sinh mô-men Tốt Tốt Rất tốt Rất tốt

Độ ổn định mô-men Rất tốt Nhấp

Rất nhấp nhô

Khả năng hoạt động trên

Tuổi thọ Thấp Cao Cao Rất cao

Từ bảng so sánh ta thấy động cơ đồng bộ cực từ ẩn chiếm ưu thế trong lựa chọn làm động cơ truyền động xe điện Tuy nhiên tác giả chọn động cơ một chiều không chổi than vì tính thông dụng trên thị trường cũng như phương án điều khiển Điều khiển động cơ BLDC đơn giản hơn động cơ IPM mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu đặt ra trong yêu cầu vận hành xe điện Sau đây ta đi tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như mô hình toán của động cơ một chiều không chổi than BLDC

2.2 Động cơ một chiều không chổi than BLDC

2.2.1 Cấu tạo động cơ BLDC

Cấu tạo động cơ một chiều không chổi than giống như động cơ xoay chiều đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu Hình 2.4 trình bày cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than ba pha điển hình

Hình 2.4 Cấu tạo động cơ BLDC Động cơ gồm rotor là nam châm vĩnh cửu (permanent magnet rotor), các cuộn dây stator (windings) và bộ cảm biến vị trí (Hall elements) Điểm khác biệt duy nhất giữa động cơ BLDC và động cơ xoay chiều đồng bộ là nó tích hợp thiết bị

đo nhằm xác định vị trí rotor (hay vị trí cực từ) nhằm tạo ra tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý động cơ BLDC [13]

Cấu tạo chung của động cơ BLDC bao gồm:

a Stator

Khác với stator của động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ BLDC chứa dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng có thể là hai pha, ba pha hay

Mạch Logic

Động cơ

Cảm biến vị trí Chuyển

mạch

nhiều pha nhưng thường gặp nhất là dây quấn ba pha Dây quấn ba pha có hai kiểu nối dây là nối hình sao và nối hình tam giác tương tự như động cơ điện xoay chiều

ba pha

b Rotor

Rotor được gắn vào trục động cơ và trên bề mặt rotor có dán các thanh nam châm vĩnh cửu Có nhiều dạng bố trí nam châm trên bề mặt rotor như chỉ ra ở hình 2.6 Ở những động cơ yêu cầu quán tính nhỏ, người ta thường chế tạo trục của động

kế dựa trên một trong các nguyên lý cơ bản như điện từ (máy phát đồng bộ xoay chiều), quang điện (encoder) và cảm biến theo hiệu ứng Hall Sau đây ta tìm hiểu hai loại cảm biến sử dụng nguyên lý quang điện và hiệu ứng Hall

Cảm biến quang điện:

Đây là loại cảm biến thông dụng nhất trong nhóm các cảm biến vị trí rotor

Hình 2.7 Nguyên lý cảm biến vị trí rotor kiểu quang điện

Trên hình 2.7a là cấu trúc đĩa quang học gồm bốn sensor: S4 đo số xung tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ, số răng cửa của đĩa được chia theo mã nhị phân dạng

2n (n=8,9,10…) Xung đo được từ S4 phục vụ như tín hiệu phản hồi tốc độ đồng thời cũng là xung đồng hồ cho bộ đếm để xác định góc hoặc vị trí của rotor Ba sensor

S1, S2, S3 được đặt lệch nhau góc 600 Màn chắn sáng là hai khe vòng cung đối xứng nhau có độ dài góc chắn cung 900 Như vậy tại một thời điểm chỉ có hai trong ba sensor này được chiếu sáng Khi đĩa quay sẽ tạo ra ba xung vuông trễ pha nhau một

Vị trí 0

(b)

góc 1200 Nếu ta chỉnh đĩa quang học theo vị trí nam châm rotor ta sẽ thu được ba xung đồng bộ với sức phản điện trên ba cuộn dây quấn trên stator Hình 2.7b là dạng sóng của bộ cảm biến vị trí rotor theo nguyên lý quang điện Bốn tín hiệu từ bốn cảm biến đưa ra qua bộ giải mã vị trí rotor cho ra tín hiệu phục vụ quá trình đóng ngắt các van điện từ điều khiển việc cấp nguồn cho các pha động cơ

Cảm biến vị trí rotor sử dụng hiệu ứng Hall

Hình 2.8 Tín hiệu Hall và pha dòng, pha sức phản điện [2]

Cảm biến Hall hoạt động dựa trên nguyên lý Hall do Edwin Herbert Hall tìm

ra năm 1879 Theo đó hiệu điện thế giữa hai mặt đối diện của chất dẫn điện đang có dòng chạy qua sẽ thay đổi nếu từ trường của nó thay đổi Người ta đã sử dụng hiệu ứng này để tạo ra các cảm biến Hall gắn trên động cơ BLDC Thông thường mỗi động cơ BLDC có ba cảm biến Hall đặt lệch nhau một góc 600 hoặc 1200 Dòng điện được cấp liên tục cho các cảm biến Hall thông qua một mạch điện độc lập với mạch điện phần ứng Khi rotor của động cơ quay nó sinh ra từ trường quay Từ

trường quay này quét qua các cảm biến Hall sinh ra mức điện áp ứng với trạng thái

0 hay 1 tùy thuộc vào vị trí của rotor

Như trên hình 2.8 ta thấy tín hiệu cảm biến Hall của pha a, b, c theo thứ tự từ trên xuống dưới Từ tín hiệu từ ba cảm biến Hall ta xác định được pha của dòng điện cũng như pha của sức phản điện các pha Các tín hiệu này được sử dụng trong thuật toán điều khiển động cơ

2.2.2 Nguyên lý truyền động động cơ BLDC

a Bộ phận chuyển mạch điện tử

Ở động cơ một chiều không chổi than, vì dây quấn phần ứng được bố trí trên stator đứng yên nên bộ chuyển mạch dễ dàng được thay thế bởi bộ chuyển mạch điện tử sử dụng van công suất Sự chuyển mạch của các van này dựa vào vị trí của rotor Về bản chất bộ chuyển mạch là nghịch lưu bị động theo sức phản điện động các pha dây quấn stator

Trong quá trình động cơ hoạt động, bộ chuyển mạch điện tử đảm bảo sự thay đổi chiều của dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rotor quay giống như vành góp và chổi than của động cơ một chiều thông thường Hình 2.9 biểu diễn dòng điện

và điện áp pha của động cơ một chiều không chổi than khi làm việc ở chế độ động

cơ Do cấu tạo của rotor và cách quấn dây phần ứng trên stator mà sức phản điện động có dạng hình thang Vì chuyển mạch theo vị trí rotor nên dòng điện cùng pha với sức điện động Điều này cắt nghĩa tại sao động cơ một chiều không chổi than có cấu tạo tương tự động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu mà ta lại gọi là một chiều không chổi than

Hình 2.9 Sức phản điện động và dòng điện các pha của động cơ BLDC [2]

b Động cơ BLDC làm việc với nghịch lưu ba pha

Hình 2.10 Cấu trúc phần lực truyền động động cơ BLDC

Do đặc tính dẫn dòng điện trùng với sức điện động nên khoảng dẫn của mỗi van trong nghịch lưu là 2π/3 Trên hình 2.10 ta thấy trình tự dẫn các van là T -T ,

T2-T3, T3-T4, T4-T5, T5-T6, T6-T1 Như vậy trong một chu kỳ dẫn van sẽ chuyển mạch sáu lần Trên thực tế ta có hai phương pháp điều khiển tốc độ động cơ:

Phương pháp thứ nhất ta điều khiển biên độ điện áp một chiều Ud và giữ nguyên góc dẫn 2π/3 Phương pháp này giống như điều khiện động cơ một chiều chổi than dùng điều chỉnh điện áp phần ứng

Phương pháp thứ hai ta dùng điều chỉnh độ rộng xung (trong khoảng dẫn

2π/3) và biên độ điện áp Ud không đổi Trong truyền động xe điện sử dụng động cơ BLDC và nguồn điện là ắc-qui, ta sử dụng phương pháp thứ hai

Hình 2.11 Đồ thị dòng điện và sức điện động khi điều chế PWM

2.2.3 Mô hình toán học động cơ BLDC

Vì phân bố từ thông của động cơ một chiều không chổi than có dạng hình thang thay vì hình sin như với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nên hệ tọa độ quay d-q không phù hợp được cho việc mô hình hóa động cơ Tuy nhiên sử dụng các biến từng pha sẽ rất thuận tiện để ta thu được mô hình động cơ Giả thiết rằng tổn hao sắt và tổn thất phụ được bỏ qua Dòng điện cảm ứng trên rotor do từ trường

sinh ra bởi cuộn dây stator cũng giả định không đáng kể Ta xét động cơ có ba pha

(trường hợp động cơ có nhiều pha hơn cũng làm tương tự)

Phương trình định luật Kirchhoff viết cho ba pha có dạng:

Ở đó R slà điện trở dây quấn stator mỗi pha và giả sử bằng nhau ở cả ba pha

Sức điện động cảm ứng ea, eb, ec có dạng hình thang với biên độ là E được xác định

B là mật độ từ thông của từ trường bao quanh thanh dẫn

Để ý rằng tích giữa từ thông với số thanh dẫn là hằng số Ke đặc trưng cho

cấu trúc của mỗi động cơ Thông số này giúp ta xác định biên độ sức phản điện

EMF khi biết tốc độ của rotor theo biểu thức (2.2)

Nếu điện cảm cuộn dây ba pha stator không đổi và đối xứng nhau, hỗ cảm

giữa cuộn dây các pha là hằng số theo vị trí rotor và cũng được giả thiết bằng nhau

Ở đó f a( ),θr f b( ), ( )θr f c θr là các hàm của góc rotor thứ tự đồng dạng với

sức phản điện ea, eb, ec nhưng có biên độ cực đại là 1 Từ đây ta có mô-men điện

từ được ước lượng nhờ biểu thức:

[ ( ) ( ) ( ) (] )

Với mô-men quán tính trục động cơ là J, độ nhớt B và mô-men tải là T ta có

phương trình chuyển động của động cơ:

r

dt

Ở đó p là số cặp cực từ, ωmlà vận tốc rotor (rad/s) và θr là vị trí rotor (rad)

Kết hợp các phương trình liên quan lại ta đưa mô hình toán học tổng quát

cho động cơ một chiều không chổi than BLDC dạng:

Từ sơ đồ cấu trúc phần lực hình 2.10 ta thấy tại một thời điểm có hai pha của

động cơ dẫn dòng và do đó công suất tiêu thụ trên động cơ là:

Ngoài hệ số sức phản điện Ke, mỗi động cơ một chiều không chổi than còn

một hằng số quan trọng khác là hệ số mô-men Km được xác định bằng biểu thức:

ω

'' 0

ω

M(Nm)

Mc®m

0 d ; 2

s M

Từ đây ta có thể thấy phương trình đặc tính cơ truyền động động cơ một

chiều không chổi than BLDC giống như đặc tính cơ của động cơ một chiều thông

thường

2.3 Thông số động cơ BLDC dùng làm động cơ truyền động cho ô tô điện

Trước những phân tích ưu nhược điểm của các loại động cơ sử dụng cho xe

điện ta đã đi tới việc sử dụng động cơ một chiều không chổi than BLDC làm động

cơ truyền động Nhằm phục vụ cho việc xây dựng và kiểm chứng các thuật toán

điều khiển tác giả xét với một động cơ BLDC với các tham số thực tế như sau:

ω dm =94.245 rad/s Dòng điện định mức: I dm =43 A

Kết luận chương 2

Chương hai đã phân tích lựa chọn động cơ truyền động cho xe ô tô điện là động cơ một chiều không chổi than BLDC Cấu tạo cùng nguyên lý làm việc cũng được trình bày cụ thể Mô hình động cơ xây dựng nên nhằm phục vụ việc nghiên cứu phương pháp điều khiển cũng như xây dựng cấu trúc bộ điều khiển Đây cũng

là nội dung chương ba với việc đưa ra các cấu hình điều khiển khác nhau cho động

cơ BLDC

CHƯƠNG 3 - CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

TRUYỀN ĐỘNG Ô TÔ ĐIỆN

3.1 Nghịch lưu làm việc với động cơ BLDC

Hình 3.1 Nghịch lưu ba pha Như trong mục 2.2.2a đưa ra bản chất bộ chuyển mạch điện tử làm việc với động cơ một chiều không chổi than là nghịch lưu bị động theo sức phản điện động Mạch nghịch lưu được cấp nguồn một chiều, với xe ô tô điện nguồn là ắc-qui Trong thực tế khi điện áp của ắc-qui thấp mà yêu cầu điện áp cấp cho nghịch lưu cao do yêu cầu của động cơ công suất lớn truyền động cho xe điện, nghịch lưu ba pha được cấp nguồn một chiều sau bộ tăng áp Tuy nhiên ở đây tác giả không đề cập tới bộ tăng áp mà giả định rằng nghịch lưu luôn được cấp bằng nguồn một chiều

ổn định

Nghịch lưu ba pha cấp nguồn cho động cơ BLDC gồm sáu van điện tử: ba van phía trên S1, S3, S5 và ba van nhánh dưới S2, S4, S6 Đây là các van công suất nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển nhằm cấp điện áp cho các cuộn dây stator động cơ Sáu van của nghịch lưu thường dùng là transistor cổng cách ly (MOSFET) hoặc transistor lưỡng cực cổng cách ly (IGBT) Mỗi loại van có đặc điểm làm việc khác nhau và sự lựa chọn loại van phụ thuộc vào các thông số của tải cũng như

thuật toán điều khiển Các van luôn được nối song song với đi-ốt công suất (freewheeling diodes) giúp cho việc trao đổi năng lượng giữa tải và lưới

3.1.1 Đi-ốt công suất

Đi-ốt công suất là thiết bị PN (Positive- Negative) hai cực Khi điện thế cực dương lớn hơn điện thế cực âm thì đi-ốt ở trạng thái dẫn hay nó cho dòng chảy qua Thông thường điện áp rơi trên đi-ốt khi nó ở trạng thái dẫn là 0.7V Khi chênh áp bị đổi dấu, tức là điện thế cực âm lớn hơn điện thế cực dương, đi-ốt ở trạng thái khóa

và ngắt không cho dòng điện chạy qua Dòng điện qua đi-ốt biến thiên trong quá trình chuyển trạng thái dẫn sang khóa như chỉ ra ở hình 3.2

Hình 3.2 Trạng thái dòng điện qua đi-ốt khi chuyển từ dẫn sang khóa [15] Khi chuyển trạng thái, dòng điện qua đi-ốt giảm về không sau đó đảo chiều

Thời gian phục hồi t rr là thời gian nhỏ nhất đi-ốt khôi phục trạng thái khóa khi có

điện áp ngược đặt lên hai cực Điện áp nạp trong quá trình khóa Q rr được tính bằng diện tích hình giới hạn giữa dòng điện ngắt và trục thời gian Đi-ốt là thiết bị điện tử đóng mở tự nhiên Nó chỉ có thể đóng hay ngắt bằng điện áp thuận hay ngược đặt lên hai cực

Thời gian phục hồi của đi-ốt tính bằng micro giây nên tần số đóng ngắt của đi-ốt lớn hơn nhiều so với tần số đóng ngắt của các van công suất Trong các ứng dụng, đi-ốt được coi như thiết bị đóng ngắt tức thời

3.1.2 MOSFET

D

i

t O

rr

t

rr

Q