Mô hình hoá và mô phỏng hệ truyền động điện cho ô tô điện sử dụng 4 động cơ đặt trong bánh xe

7 CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT EV Xe điện Electric Vehicle HEV Xe hybrid Hybrid Electric Vehicle DC Dòng điện một chiều Direct Current AC Dòng điện xoay chiều Alternating Current Back-EMF Sức p

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

HƯỚNG DẪN PHỤ : PGS.TS TẠ CAO MINH

HÀ NỘI, 2013

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Dương Ngọc Khánh và PGS.TS Tạ Cao Minh Các số liệu và kết quả trình bày trong luận văn là độc lập, hoàn toàn trung thực

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

Tác giả

Nguyễn Ngọc Tuấn

2

LỜI CẢM ƠN

Dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn TS.Dương Ngọc Khánh và PGS.TS Tạ Cao Minh, sự giúp đỡ và tạo điều kiện của các thầy giáo trong Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, của Viện cơ khí động lực, cùng sự hỗ trợ của các bạn đồng nghiệp, tác giả đã được thực hiện và hoàn thành được các nội dung nghiên cứu chính của đề tài

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các giáo viên hướng dẫn, tới tập thể các thầy giáo, các cán bộ trong Bộ môn và Viện chuyên nghành, cảm ơn sự giúp đỡ của các bạn đồng nghiệp, trong thời gian thực hiện luận văn đã hết sức nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ, hỗ trợ và tạo điều kiện để luận văn đạt được những kết quả nhất định

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới đề tài T2013-18 do TS.Dương Ngọc Khánh làm chủ nhiệm, đã hỗ trợ kinh phí và tạo điều kiện để kết quả nghiên cứu của luận văn được đóng góp cho đề tài T2013-18

Xin trân trọng cảm ơn!

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 5

CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 10

Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 12

1.1 Ô tô điện 12

1.2 Hệ thống động lực điện trên ô tô 15

1.2.1 Động cơ điện sử dụng trên ô tô 15

1.2.1.1 Động cơ một chiều (DC Motor) 17

1.2.1.2 Động cơ không đồng bộ 22

1.2.1.3 Động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha 24

1.2.2 Đặc tính động cơ và đặc tính ô tô điện 29

1.2.3 Các hệ truyền động điện trên ô tô điện 34

1.2.3.1 Hệ truyền động động cơ đồng bộ ba pha 35

1.2.3.2 Hệ truyền động động cơ một chiều (DC) và động cơ một chiều không chổi than (BLDC) 38

1.2.3.3 Hệ truyền động động cơ đặt trong bánh xe (In-Wheel-Motor) 42

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 44

1.4 Tình hình nghiên cứu và phát triển của ô tô điện trong nước 45

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 47

Chương 2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động của ô tô điện sử dụng 4 động cơ đặt trong bánh xe 48

4

2.1 Mô hình mô phỏng chuyển động của xe 48

2.3 Mô hình mô phỏng trong Matlab - Simulink 56

2.3.1 Mô hình động cơ điện 57

2.3.2 Mô hình mô phỏng chuyển động của bánh xe 58

2.4 Mô phỏng khảo sát khả năng động lực học của xe 59

Chương 3 Đề xuất bộ điều khiển hỗ trợ chuyển động quay vòng 62

3.1 Động học quay vòng của ô tô 4 bánh dẫn hướng 62

3.1.1 Động học hệ thống lái 4WS với các bánh xe cầu sau quay cùng chiều các bánh xe cầu trước 64

3.1.2 Động học hệ thống lái 4WS với bánh xe cầu trước quay ngược chiều bánh xe cầu sau 67

3.2 Xác định quỹ đạo chuyển động khi quay vòng đúng 69

3.3 Đề xuất bộ điều khiển hỗ trợ quay vòng 70

3.4 Mô hình mô phỏng trên Matlab-Simulink 78

3.5 Kết quả mô phỏng điều khiển chuyển động quay vòng 79

3.5.1 Chuyển làn ở tốc độ cao 79

3.5.2 Quay vòng ở tốc độ thấp 82

KẾT LUẬN 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Phản lực pháp tuyến của mặt đường

Φư Từ thông phần ứng Iw Mô men quán tính của bánh xe

Φkt Từ thông kích từ rb Bán kính hiệu dụng của bánh xe

M Khối lượng toàn bộ của xe φx Hệ số bám dọc

G Trọng lượng toàn bộ của xe φy Hệ số bám ngang

Gt Trọng lượng phân ra cầu trước α Góc lệch bên của bánh xe

Gs Trọng lượng phân ra cầu sau Cd Hệ số cản khí động học

x

 Vận tốc theo phương dọc ρ khối lượng riêng của không khí

y

 Vận tốc theo phương ngang F diện tích cản chính diện của ô tô

 Gia tốc góc quay thân xe N Lực gió bên (Lực ngang)

 Vận tốc góc quay thân xe Fd Lực cản leo dốc

Mkfl Momen kéo bánh trước trái Pj Lực li tâm

Mkfr Momen kéo bánh trước phải Jz Momen quan tinh quay truc z

Mkrl Momen kéo bánh sau trái i0 Tỷ số truyền của hệ thống

Mkrr Momen kéo bánh sau phải η hiệu suất của hệ thống

V Vận tốc xe [m/s] rđ bán kính lăn bánh xe [m]

Fc Lực cản tác dụng lên xe C Trọng tâm xe

là góc quay bánh xe phía trong

quỹ đạo quay vòng R bán kính quay của trọng tâm xe

δo

là góc quay bánh xe phía

ngoài quỹ đạo quay vòng R1

Khoảng cách từ tâm quay tức thời O tới trục dọc của xe

c1

khoảng cách từ tâm quay tức

thời O tới cầu trước c2

khoảng cách từ tâm quay tức thời

O tới cầu sau

δfl Góc quay bánh xe trước trái δrl Góc quay bánh xe sau trái

δfr Góc quay bánh xe trước phải δrr Góc quay bánh xe sau phải

Fxfl

Lực dọc tác dụng lên bánh xe

Lực ngang tác dụng lên bánh xe trước trái

Fxfr

Lực dọc tác dụng lên bánh xe

Lực ngang tác dụng lên bánh xe trước phải

Fxrl

Lực dọc tác dụng lên bánh xe

Lực ngang tác dụng lên bánh xe sau trái

Fxrr

Lực dọc tác dụng lên bánh xe

Lực ngang tác dụng lên bánh xe sau phải

IHC-tt

Cường độ dòng điện hiệu

chỉnh của động cơ trước trái IHC-st

Cường độ dòng điện hiệu chỉnh của động cơ sau trái

IHC-tp

Cường độ dòng điện hiệu

chỉnh của động cơ trước phải IHC-sp

Cường độ dòng điện hiệu chỉnh của động cơ sau phải

7

CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

EV Xe điện (Electric Vehicle)

HEV Xe hybrid (Hybrid Electric Vehicle)

DC Dòng điện một chiều (Direct Current)

AC Dòng điện xoay chiều (Alternating Current)

Back-EMF Sức phản điện động (Back - Electromotive Force)

PMSM Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet

Synchronous Motor) BLDC Động cơ một chiều không chổi than (Brushless Direct

Curent) SPM Động cơ nam châm vĩnh cửu rotor cực lồi (Surface Magnet

Machine) IPM Động cơ nam châm vĩnh cửu rotor cực chìm (Interior

Magnet Machine) SynRM Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor) SRM Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor)

IGBT Transistor có cực điều khiển cách ly (Insulated Gate Bipolar

Transistor) FOC Điều khiển tựa từ thông rotor (Field Oriented Control)

DTC Điều khiển trực tiếp momen (Direct Torque Control)

PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation)

VDC Điện áp một chiều (Volt Direct Current)

IWM Động cơ đặt trong bánh xe (In - Wheel - Motor)

KAIST Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (Korea

Advanced Institute of Science and Technology) OLEV Xe bus điện không dây (OnLine Electric Vehicle)

CVT Bộ chuyển đổi vô cấp (Continuously Variable Transmission) FWS Hệ thống lái hai bánh trước dẫn hướng (Front Wheel

Steering) 4WS Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng ( Four Wheels Steering) PID Điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân (Proportional-Integral-

Derivative )

8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1-1: Nguyên lý hoạt động động cơ điện một chiều 18

Hình 1-2: Động cơ BLDC (a) và cảm biến Hall (b) 21

Hình 1-3: Cấu trúc của động cơ SPM (a) và IPM (b,c) 25

Hình 1-4: Động cơ từ trở đồng bộ - SynRM 26

Hình 1-5: Động cơ từ trở thay đổi - SRM 27

Hình 1-6: Đặc tính làm việc của ô tô 31

Hình 1-7: Đặc tính làm việc lý tưởng 31

Hình 1-8: Đặc tính ngoài động cơ đốt trong (a) và đặc tính lực kéo của xe sử dụng hộp số 4 cấp (b) 32

Hình 1-9: Đặc tính động cơ điện (a) và đặc tính lực kéo của xe khi sử dụng động cơ điện (b) 33

Hình 1-10: Sơ đồ truyền động điện trên xe điện sử dụng 04 động cơ điện 35

Hình 1-11: Hệ truyền động động cơ xoay chiều 36

Hình 1-12: Sơ đồ mạch lực biến đổi điện áp của động cơ đồng bộ 36

Hình 1-13: Quy ước hệ trục tọa độ trong động cơ ba pha 37

Hình 1-14: Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ PMSM 38

Hình 1-15: Đặc tính điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản (a) và trên tốc độ cơ bản (b) của động cơ DC 39

Hình 1-16: Sơ đồ truyền động điện động cơ DC (a) và bộ biến đổi DC-DC (b) 40

Hình 1-17: Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ BLDC 41

Hình 1-18: Mô hình động cơ điện đặt trong bánh xe 43

Hình 1-19: Động cơ điện đặt trong bánh xe phía sau 43

Hình 2-1: Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi chuyển động 48

Hình 2-2: Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe chủ động 49

Hình 2-3: Sơ đồ xác định lực dọc và lực ngang 51

9

Hình 2-4: Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi chuyển động quay vòng 54

Hình 2-5: Mô hình mô phỏng ô tô điện 56

Hình 2-6: Đặc tính động cơ điện sử dụng mô phỏng 57

Hình 2-7: Mô hình mô phỏng động cơ điện 58

Hình 2-8: Mô hình mô phỏng chuyển động của bánh xe 58

Hình 2-9: Mô hình mô phỏng hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng 59

Hình 2-10: Biến thiên vận tốc của xe khi tăng tốc với tỉ số truyền bộ truyền lực cuối cùng thay đổi 60

Hình 2-11: Biến thiên vận tốc của xe khi leo dốc 150, không sử dụng truyền lực cuối 61

Hình 3-1: Các sơ đồ động học hệ thống lái 62

Hình 3-2: Quay vòng trái với hệ thống lái FWS 63

Hình 3-3: Quy ước dấu của góc quay vành lái 64

Hình 3-4: Bánh xe cầu trước và cầu sau quay cùng chiều 65

Hình 3-5: Bánh xe cầu trước và cầu sau quay ngược chiều 67

Hình 3-6: Sơ đồ mạch điều khiển hai vòng kín 71

Hình 3-7: Sơ đồ hệ thống điều khiển chuyển động hỗ trợ quay vòng 72

Hình 3-8: Sơ đồ điều khiển động cơ điện 73

Hình 3-9: Cấu trúc bộ điều khiển mờ 74

Hình 3-10: Các giá trị ngôn ngữ của các tín hiệu vào/ra 76

Hình 3-11: Sơ đồ mô hình mô phỏng chuyển động quay vòng 78

Hình 3-12: Mô hình tính toán giá trị tham chiếu của xe 79

Hình 3-13: Mô hình bộ điều khiển 79

Hình 3-14: Chuyển làn với góc quay vô lăng 600 tại tốc độ gần 60 km/h 81

Hình 3-15: Xe quay vòng với góc quay vô lăng bằng 2400 tại tốc độ 30km/h 83

10

MỞ ĐẦU

Tiếp theo sự phát triển ô tô hybrid, ô tô điện đang được nhiều hãng ô

tô nghiên cứu phát triển nhằm khắc phục các yếu điểm của nhiên liệu hóa thạch về ô nhiễm môi trường và tình hình cạn kiệt nguồn nhiên liệu Tại Việt Nam, đối tượng này chưa nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học, giới doanh nghiệp cũng như các nhà làm chính sách, nên chưa có nhiều nghiên cứu về ô tô điện

Ô tô điện nhằm cải thiện ô nhiễm môi trường, nhưng gặp phải khó khăn về vấn đề cung cấp năng lượng điện để hoạt động Ô tô điện có hai nhược điểm quan trọng là năng lượng dữ trữ thấp và giá thành cao hơn Các vấn đề cần cải thiện ở ô tô điện là khả năng tăng tốc, bán kính sử dụng, vấn đề

về nạp và thay mới nguồn năng lượng điện

Việc đặt các động cơ trong bánh xe cho phép ta điều khiển các bánh

xe một cách độc lập từ đó dẫn tới khả năng điều khiển lực kéo và điều khiển chuyển động của xe một cách linh hoạt hơn Quá trình chuyển động của xe sẽ được điều khiển thông qua việc điều khiển công suất của các động cơ điện Mặt khác, khi bố trí động cơ điện trong bánh xe ta sẽ rút gọn được hệ thống truyền lực, giảm được khối lượng của xe, tăng thời gian làm việc của pin Do vậy, luận văn đã lựa chọn hướng nghiên cứu này để tìm hiểu, khảo sát và mô phỏng về hệ truyền động trên ô tô điện Vấn đề này đã được nhiều hãng xe trên thế giới nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm như Volkswagen, Mercedes, Ford Vấn đề tối ưu hóa hệ truyền động trên xe có ý nghĩa lớn trong việc tiết kiệm năng lượng trên ô tô điện Nếu xe hoạt động với hiệu suất cao, đồng nghĩa với việc năng lượng sinh ra được tận dụng triệt để, giúp tiết kiệm năng lượng ở pin hoặc ắc quy, làm tăng quãng đường đi được trên một lần nạp pin Hiện nay một số công trình nghiên cứu trong nước về hệ thống truyền lực ô tô điện đang còn sơ khai, đặc biệt là ô tô với 4 bánh dẫn động độc lập bằng 4

11

động cơ điện Luận văn nghiên cứu, khảo sát động lực học của ô tô điện với

hệ truyền động 4 động cơ điện, dẫn động trực tiếp 4 bánh xe không sử dụng

bộ giảm tốc và so sánh với ô tô sử dụng bộ giảm tốc thông qua mô hình mô phỏng được xây dựng bằng công cụ Matlab - Simulink

Đối tượng luận văn nghiên cứu là mô hình về ô tô điện loại nhỏ hoạt động trong thành phố Các hệ thống trên xe được mô hình hóa tương tự các xe

sử dụng động cơ đốt trong, luận văn chỉ thay đổi mô hình hệ thống truyền lực với 4 động cơ điện có đặc tính xác định trước

12

Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 1.1 Ô tô điện

Ô tô điện được phát minh bởi Frenchman Gustave Trouvé vào năm

1881, với động cơ một chiều (DC) 0.1 mã lực sử dụng acquy chì-axit Khối lượng toàn bộ của xe là 160kg Năm 1883, hai giáo sư người Anh đã chế tạo một xe điện tương tự Những phát minh này chưa thể đi tới chế tạo xe điện để

sử dụng thời bấy giờ Vận tốc xe chỉ đạt 15 km/h và quãng đường đi được là

16 km nên không thể sử dụng hiệu quả Năm 1864, trong cuộc đua từ Paris đến Rouen ô tô điện có thể chạy quãng đường dài 1135 km trong thời gian 48 giờ 53 phút với tốc độ trung bình 23.3 km/h Tốc độ này là khá cao và phù hợp với tình hình giao thông lúc đó

Hai mươi năm sau đó là thời điểm mà xe điện cạnh tranh với xe hơi sử dụng động cơ xăng Xe điện được đưa vào sử dụng đầu tiên là Electroboat của hai kỹ sư Morris và Salom Xe này được sử dụng như là một taxi ở thành phố NewYork Xe điện Electroboat có nhiều ưu điểm hơn so với xe kéo ngựa, nhưng giá thành xe khá cao (khoảng $3000 so với $1200) Xe có thể được sử dụng ở tay số 3 trong 4 giờ với khoảng thời gian nạp lại là 90 phút, và được dẫn động bởi 2 động cơ có công suất 1.5 mã lực, đạt tốc độ tối đa cho phép là

32 km/h trong dải hoạt động 40 km

Phát minh kỹ thuật quan trọng nhất trong thời điểm đó là sự ra đời của

hệ thống phanh nạp lại do kỹ sư người Pháp M.A Darracq thiết kế trên chiếc

xe hai chỗ ngồi vào năm 1897 Phương pháp này cho phép thu hồi lại động năng của xe trong khi phanh và nạp lại cho ắc quy, điều này nâng cao hiệu quả dẫn động của xe Đó là một trong những đóng góp quan trọng nhất cho công nghệ xe điện và xe lai điện vì khả năng cung cấp hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn các loại phương tiện khác

xe hoạt động trong các công viên

Năm 1945, ba nhà nghiên cứu tại Bell Laboratories đã phát minh ra một loại linh kiện được sử dụng khá phổ biến hiện nay là Transistor, đó là cuộc cách mạng hoá thế giới điện và điện tử Transistor nhanh chóng thay thế các ống chân không và ngay sau đó Thyristor được phát minh, thiết bị này cho phép điều khiển được dòng điện cao hơn với điện thế cao hơn Điều này cho phép điều chỉnh công suất cung cấp cho động cơ điện mà không phải sử dụng biến trở hiệu suất thấp, và cho phép chạy động cơ xoay chiều AC ở các tần số khác nhau (biến tần) Năm 1966, General Motors (GM) đã chế tạo chiếc Electrovan, được dẫn động bởi các động cơ điện sử dụng bộ chuyển đổi bằng Thyristor Xe điện đặc biệt nhất của thời kỳ này là Lunar Roving, được các nhà du hành vũ trụ Apollo sử dụng trên Mặt Trăng Khối lượng toàn bộ của xe là 209 kg và có thể chở tải 490 kg, quãng đường đi được là 65 km

Trong những năm 1960 và 1970, các vấn đề về ô nhiễm môi trường đã thúc đẩy các nghiên cứu về xe điện Tuy nhiên, mặc dù có những tiến bộ trong kỹ thuật chế tạo ắc quy và điện tử công suất nhưng hiệu suất và phạm vi hoạt động của xe vẫn là một cản trở lớn Kỷ nguyên xe điện hiện đại lên đến đỉnh điểm là trong thập niên 80 và những năm đầu thập niên 90 với sự ra mắt của một vài xe của các hãng như GM với xe EV1 và hãng PSA với xe 106

14

Electric Những xe điện này vẫn có vận tốc và phạm vi hoạt động giới hạn Một lý do nữa đó là năng lượng của ắc quy được chứa trong các điện cực bằng kim loại, có khối lượng nặng hơn so với động cơ xăng có cùng công suất Vì vậy, công nghiệp ô tô đã từ bỏ xe điện để mở đường cho sự nghiên cứu xe lai điện Công nghệ ắc quy chưa phát triển đủ cho sự phát triển của xe điện Khả năng tích trữ năng lượng điện trên một đơn vị khối lượng và thể tích là nhỏ Nguồn năng lượng điện này chỉ cho phép xe điện có một vài ứng dụng đặc biệt như tại sân bay, nhà ga xe lửa, trên các tuyến đường phân phối thư, cũng như trên các xe golf… Vì thế, những năm gần đây, nghiên cứu về công nghệ ô tô tiên tiến đã chuyển sang xe lai điện HEV (Hybrid Electric Vehicle) cũng như là xe dùng pin nhiên liệu (Full-cell Vehicle)

 Dưới đây là một số xe điện đã được chế tạo:

Năm 1914, Detroit Electric được sản xuất, xe sử

dụng pin Ni-Fe, có khả năng di chuyển trong

phạm vi 80 dặm, vận tốc trung bình 9m/s

(~20mph)

Năm 1974, xe điện Zagato Elcar được phát

minh, có khả năng di chuyển 35 dặm với vận

tốc trung bình 15 m/s (~ 35 mph) Xe sử dụng

ắc quy chì – xit

Năm 1980, xe điện Commuter Vehicles

CommutaCar được phát minh có khả năng di

chuyển 40 dặm với vận tốc trung bình 13 m/s (~

30 mph) Xe sử dụng ắc quy chì – axit

15

Năm 1997, Hãng Chevrolet sản xuất xe S10

EV, có khả năng chạy 95 dặm với loại pin

NiMH

Năm 1998, Hãng Ford sản xuất xe Ford Ranger

EV, có khả năng chạy 82 dặm, sử dụng pin

NiMH

Năm 1999, hãng General Motors sản xuất xe

EV1, có khả năng chạy 140 dặm, sử dụng pin

NiMH

Năm 2000, xe điện Thanks city có vận tốc 25

m/s (~55mph), tuy nhiên quãng đường đi được

khá ngắn với chỉ 45 dặm Xe sử dụng loại pin

mới, pin NiCd

Năm 2003, xe AC Propulsion tZero có thể chạy

được 302 dặm chỉ với 1 lần xạc, vận tốc tối đa

lên đến 27 m/s (~60mph) Xe sử dụng pin

Lithium

1.2 Hệ thống động lực điện trên ô tô

1.2.1 Động cơ điện trên ô tô

Động cơ điện là thiết bị điện cơ học giúp chuyển điện năng thành cơ năng Cơ năng này được sử dụng để kéo bánh xe chủ động trên ô tô, quay bánh công tác của bơm, cánh quạt, chạy máy nén … Các động cơ điện được

sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghệ cao như ô tô (xe điện, xe hybrid

16

…), máy bay …, trong lĩnh vực dân dụng (máy xay, khoan, quạt gió) và trong công nghiệp

 Cơ chế hoạt động của các động cơ điện:

Kết cấu của động cơ điện thường gồm hai bộ phận kết cấu chính là mạch từ và dây quấn Mạch từ của động cơ điện là hai khối thép đồng trục, giữa hai khối thép có khe hở để đảm bảo chúng có thể quay tương đối với nhau Khối đứng yên gọi là phần tĩnh hay Stator, khối quay được gọi là phần quay hay rôto Các dây quấn của máy điện quay được đặt ở hai phía khe hở trong các rãnh hoặc trên các cực từ của stator và rôto Các động cơ điện hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ Trong động cơ điện luôn có hai phần: phần cảm và phần ứng Phần cảm có nhiệm vụ sinh ra từ trường ở khe

hở lúc không tải Từ trường này thường là cực tính thay đổi Phần ứng có nhiệm vụ cảm ứng được sức điện động khi có chuyển động tương đối với từ trường khe hở Nếu từ trường khe hở có cực tính thay đổi sức điện động là xoay chiều; nếu từ trường khe hở có cực tính không đổi, sức điện động là một chiều

Nguyên lý làm việc của các loại động cơ điện đều dựa vào hai định luật điện từ cơ bản là định luật sức điện động cảm ứng và định luật về lực điện từ Dựa vào hai định luật cơ bản này ta thấy rằng dòng điện trong từ trường chịu tác dụng của một lực từ Nếu dây dẫn được khép mạch, hai nhánh đối xứng của mạch sẽ chịu các lực tác dụng ngược chiều nhau (ngẫu lực) theo phương vuông góc với véc tơ đường sức từ, ngẫu lực này tạo ra mô men làm quay cuộn dây

Trên ô tô điện hiện nay có thể sử dụng một số loại động cơ như sơ đồ dưới đây:

17

1.2.1.1 Động cơ một chiều (DC Motor)

Động cơ một chiều sử dụng dòng điện một chiều và yêu cầu có phần kích từ mới có thể hoạt động được Động cơ một chiều được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt yêu cầu mô men khởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc

êm ở một dải tốc độ rộng Động cơ một chiều có ưu điểm nổi bật là rất dễ điều khiển Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển chưa phát triển, động cơ một chiều là sự lựa chọn hàng đầu cho những ứng dụng cần điều khiển tốc độ, mômen Nhược điểm của loại động cơ này là cần bộ vành góp, chổi than, có tuổi thọ thấp, đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên, không phù hợp với điều kiện nóng ẩm Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh, động cơ một chiều dần bị thay thế bởi các loại động cơ khác

Động cơ điện sử dụng cho ô tô điện

Động cơ từ trở thay đổi (SRM Motor)

Động cơ từ trở đồng bộ

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

Động cơ nam châm vĩnh cửu cực lồi (SPM motor)

Động cơ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor)

Động cơ một chiều

không chổi than

(BLDC Motor)

18

Hình 1-1: Nguyên lý hoạt động động cơ điện một chiều

Động cơ một chiều gồm ba thành phần chính sau:

 Stator hay phần cảm:

Phần cảm của động cơ một chiều có các cực từ đứng yên (cực từ chính, cực từ phụ và gông máy Cực từ chính gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực này được nối tiếp với nhau Cực từ chính có nhiệm vụ tạo ra từ thông chính trong máy, hình thành cấu trúc từ trường

Ngoài ra trên động cơ một chiều có bố trí các cực từ phụ có nhiệm vụ hạn chế tia lửa điện trên chổi than - cổ góp, cải thiện đổi chiều của động cơ

 Rotor hay phần ứng:

Phần ứng (đặt trên các ổ đỡ) quay trong không gian giữa các cực từ Trên phần ứng có lõi sắt dẫn từ, và dây quấn phần ứng Khi có dòng điện đi qua, phần ứng sẽ trở thành một nam châm điện Phần ứng, có dạng hình trụ, được nối với với trục ra để kéo tải Với động cơ một chiều nhỏ, phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra, cho đến khi cực bắc và cực nam của nam châm hoán đổi vị trí tương ứng với góc quay của phần ứng Khi sự hoán đổi

Ikt tạo nên, từ trường phân bố tương đối đều dưới bề mặt cực từ Khi làm việc

có tải, ngoài từ trường của cực từ còn có từ trường phần ứng do dòng Iư tạo nên Tác dụng của từ trường phần ứng (Φư) lên từ trường cực từ (Φkt) gọi là phản ứng phần ứng làm hình thành từ trường tổng ở khe hở lúc có tải Dưới mỗi cực từ, từ trường phần ứng Φư được chia làm hai phần, một phần Φư cùng chiểu Φkt nên từ thông được trợ từ, phần còn lại Φư ngược chiểu Φkt nên từ thông bị khử đi Nếu như không kể tới hiện tượng bão hòa từ trong máy thì phần từ thông được tăng lên sẽ bằng phần từ thông bị khử đi nên từ thông tổng sẽ không đổi Nếu mạch từ bão hòa thì do tác dụng trợ từ ít hơn tác dụng khử từ nên từ thông tổng dưới mỗi cực giảm đi một ít, nghĩa là từ thông tổng

sẽ giảm xuống Khi chổi than đặt trên đường trung tính hình học thì chỉ có phản ứng ngang trục làm méo từ trường khe hở dẫn đến từ trường ở đường trung tính khác không nên khi làm việc có tải, đây cũng là một nguyên nhân ngoài nguyên nhân về kết cấu cổ góp - chổi than, làm cho động cơ dễ phát sinh tia lửa điện Do vậy, ta cần sử dụng các cực từ phụ xen giữa cực từ chính

20

để triệu tiêu từ thông Φư bằng cách tạo ra từ thông phụ ngược chiều với Φư

trên đường trung tính hình học Cũng có thể sử dụng dây quấn cực tự phù hoặc dây quấn bù mắc nối tiếp dây quấn rotor để tạo ra từ thông kịp thời triệt tiêu từ thông Φư khi dòng điện tải thay đổi

 Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor – BLDC motor)

Nhược điểm chủ yếu của động cơ một chiều là có hệ thống cổ góp và chổi than nên vận hành kém tin cậy, và không an toàn khi hoạt động ở các môi trường yêu cầu tính rung động lớn, và điều kiện di động cao Vì yếu tố này mà động cơ một chiều ít được sử dụng trên ô tô điện Động cơ một chiều không chổi than có thể khắc phục nhược điểm trên Loại động cơ này đang được chú trọng nghiên cứu để ứng dụng vào các hệ thống yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ động cơ, và được thí nghiệm để sử dụng trong ô tô điện

Cấu tạo chung của động cơ BLDC gồm rotor nam châm vĩnh cửu, stator và bộ cảm biến vị trí:

- Stator: Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ một chiều không chổi than chứa dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng thường là dây quấn ba pha được đấu nối dạng hình Y hoặc Δ tương

tự như máy điện xoay chiều ba pha

- Rotor: được gắn vào trục động cơ và trên bề mặt rotor có dán các thanh nam châm vĩnh cửu

- 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 phận chuyển mạch điện tử sử dụng transisto công suất chuyển mạch theo vị trí rotor Về bản chất bộ chuyển mạch điện tử là nghịch lưu bị động theo sức điện động của stator Do đó trong cấu trúc động cơ một chiều không chổi than cần có cảm biến vị trí rotor Khi đó, bộ đổi chiều điện

Một điểm khác biệt nữa của động cơ BLDC so với các động cơ đồng

bộ khác là sức phản điện động (back-EMF) của động cơ có dạng hình thang

do cấu trúc dây quấn tập trung (các loại khác có dạng hình sin do cấu trúc dây quấn phân tán) Dạng sóng sức phản điện động hình thang khiến cho động cơ BLDC có đặc tính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công suất, khả năng sinh mômen cao, hiệu suất cao

Động cơ được điều khiển dựa vào tín hiệu từ các cảm biến Hall xác định vị trí của rotor Momen sinh ra của động cơ BLDC do tác dụng của từ trường rotor với dòng điện stator Do bản chát nguyên lý làm việc, dòng điện stator trùng pha với sức điện động cảm ứng nên từ trường rotor sẽ vuông góc

Hình 1-2: Động cơ BLDC (a) và cảm biến Hall (b)

22

với dòng điện tương tự như động cơ một chiều Thời gian sản sinh ra momen động cơ điện phụ thuộc vào số phiến góp trên động cơ (hiệu ứng sinh momen nằm trong góc π/n với n là số phiến góp) Do trong động cơ một chiều số phiến góp lớn nên đập mạch momen không đáng kể Đối với động cơ BLDC

từ trường rotor quay còn từ trường tổng stator sẽ đứng im trong phạm vi ωt = π/3 Sau đó từ trường stator sẽ dịch chuyển một góc π/3, do vậy momen động

cơ BLDC đập mạch 6 lần, đây là nhược điểm cơ bản của động cơ BLDC Tuy nhiên, có thể sử dụng các thuật toán điều khiển để giảm nhấp nhô mômen Một trong những phương pháp hiệu quả nhất là thuật toán điều khiển giả vector (Pseudo-vector Control – PVC) hiện nay đã đi vào ứng dụng cho thiết

bị trợ lái vô lăng của công ty NSK tại Nhật Bản

1.2.1.2 Động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ gồm các bộ phận chính sau:

- Phần tĩnh hay stator: đây là phần cảm của động cơ, bao gồm: vỏ máy, lõi sắt và dây quấn là các phần chủ yếu Vỏ máy để cố định lõi sắt và dây quấn Lõi sắt là phần dẫn từ, được ghép từ những lá thép kỹ thuật điện hình rẻ quạt có phủ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy khi có sự đổi dấu ở dòng điện xoay chiều Mặt trong của lá thép

có xẻ rãnh để đặt dây quấn Dây quấn được bố trí ở hai bên khe hở trên lõi thép.Dây quấn luôn được cách điện với lõi sắt Trong động cơ ba pha, ba dây quấn stator đặt theo các rãnh lệch nhau 1200 điện, được đấu nối Y/Δ theo điện áp lưới quy định

- Phần quay hay rotor: đây là phần ứng của động cơ, gồm lõi thép, dây quấn, và trục máy Lõi thép gồm các lõi thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa có

lỗ để lắp trục Phía ngoài có rãnh để đặt dây quấn Nếu là động cơ rotor lồng sóc thì trên các rãnh của lõi thép rotor đặt các thanh dẫn bằng

23

đồng, hai đầu có đặt hai vòng ngắn mạch tạo thành lồng sóc hoăc trên các rãnh thép rotor được đúc nhôm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch Nếu

là động cơ rotor dây quấn thì trong các rãnh lõi thép rotor đặt dây quấn

ba pha tương tự trong rotor và thường được đấu nối Y Ba đầu ra của ba dây quấn nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng cố định trên trục rotor và cách điện với trục động cơ Nhờ ba chổi than tiếp xúc với ba vòng tiếp xúc, dây quấn được nối với ba điện trở ngoài để mở máy hoặc điều chỉnh tốc độ

Động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, giá thành thấp nên được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kilooat Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ được sử dụng cho các máy cán thép vừa và nhỏ, các máy công

cụ ở nhà máy công nghiệp nhẹ, dùng cho quạt tời hay quạt gió trong hầm mỏ, các máy gia công nông sản phẩm Tuy nhiên, do đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng dụng của động cơ không đồng bộ trên xe điện có phần hạn chế vì yêu cầu của ô tô là cần điều chỉnh tốc độ thường xuyên khi hoạt động Trên động cơ không đồng bộ, phạm vi điều chỉnh tốc độ của động cơ nhỏ, năng lượng tiêu thụ lớn, độ bằng phẳng khi điều chỉnh thấp nên việc ứng dụng

sử dụng trên ô tô đem lại hiệu quả thấp Với kỹ thuật hiện nay, hoàn toàn có thể thực hiện các thuật toán điều khiển vector tiên tiến cho động cơ không đồng bộ, đáp ứng các yêu cầu công nghệ cần thiết Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là có hiệu suất thấp khi yêu cầu điều chỉnh tốc độ liên tục Với điều kiện cơ sở hạ tầng giao thông như ở Việt Nam, đường giao thông hẹp, đông đúc, xe thường chạy ở tốc độ thấp và hay phải dừng, đỗ Với chế độ hoạt động như vậy, động cơ đồng bộ sẽ phải thường xuyên chạy ở tốc độ dưới định mức gây hiệu suất thấp, hạn chế đáng kể quãng đường đi cho một lần nạp ắc quy

24

1.2.1.3 Động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha

Kết cấu của động cơ đồng bộ ngược với động cơ không đồng bộ, tức

là phần cảm được đặt trên phần quay là rotor, còn phần ứng lại được đặt trên phần tĩnh là stator

Về cấu tạo phần stator của động cơ đồng bộ hoàn toàn giống với động

cơ không đồng bộ ba pha Rotor của động cơ không đồng bộ có hai loại động

cơ đồng bộ rotor cực lồi và động cơ đồng bộ rotor cực ẩn

Động cơ điện đồng bộ do được kích thích bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với cosφ = 1, và không cần bù công suất phản kháng từ mạng điện 3 pha, làm giảm được điện áp rơi và tổn hao công suất ở nguồn điện ba pha Khi làm việc, động cơ điện không đồng bộ ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điện áp do mô men của động cơ điện đồng bộ chỉ tỷ lệ bậc nhất với điện

áp ba pha U đặt vào động cơ, trong khi ở động cơ không đồng bộ mô men sinh ra tỷ lệ với bình phương điện áp U2 Vì vậy, khi điện áp nguồn bị sụt thấp

do sự cố (trường hợp này dễ xảy ra trên ô tô do nguồn năng lượng lấy từ pin hoặc acquy luôn suy giảm trong quá trình hoạt động), khả năng giữ tải của động cơ đồng bộ lớn hơn Hơn nữa, hiệu suất của động cơ điện đồng bộ thường cao hơn động cơ không đồng bộ vì động cơ đồng bộ có khe hở tương đối lớn, khiến cho tổn hao sắt phụ nhỏ hơn

Động cơ điện đồng bộ có nhược điểm là kết cấu phức tạp, đòi hỏi phải

có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều khiến giá thành cao Nhưng trên ô tô nguồn một chiều luôn có sẵn vì chúng được lấy từ ắc quy hoặc pin Mặt khác, việc mở máy của động cơ đồng bộ cũng phức tạp hơn các động cơ khác, và vấn đề điều chỉnh tốc độ chỉ thực hiện được bằng cách thay đổi tần số của nguồn điện

Khi công nghệ điện tử và công nghệ vật liệu chưa phát triển, động cơ điện đồng bộ ít được sử dụng trong các lĩnh vực yêu cầu cao điều chỉnh tốc

25

độ Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện tử và công nghệ vật liệu, việc điều chỉnh tốc độ có thể thực hiện dễ dàng thông qua các bộ biến đổi để thay đổi tần số của nguồn điện đầu vào động cơ đồng bộ, hay còn gọi bộ biến tần Động cơ đồng bộ đang làm loại động cơ được sử dụng nhiều trong các loại xe điện hiện nay

Dưới đây là một số động cơ đồng bộ đã và đang được nghiên cứu để ứng dụng sử dụng trên ô tô điện

 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM Motor):

Động cơ đồng bộ có kích từ nam châm vĩnh cửu sử dụng loại vật liệu

từ, có mật độ từ cao (độ dư từ lớn), tổn thất từ và độ nhụt từ nhỏ, khả năng tái nạp từ tốt, chịu nhiệt độ cao, giá thành hạ Nên nó cạnh tranh tốt với động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trong dải công suất nhỏ Có thể chia động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ra làm hai loại chính:

- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ

bố trí mặt ngoài (SPM: Simusoidal Surface Magnet Machine): Các cực

từ này có cấu tạo dạng cực từ lồi Động cơ hoạt động ở phạm vi tốc độ thấp

- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ

bố trí chìm bên trong (IPM: Simusodial Interior Magnet Machine)

Hình 1-3: Cấu trúc của động cơ SPM (a) và IPM (b,c)

Cực từ

tô điện Mặt khác, động cơ IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ Động

cơ IPM đang được sử dụng trên dòng xe Nissan Leaf

 Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor – SynRM)

Động cơ SynRM có cấu trúc stator giống động cơ xoay chiều thông thường với dây quấn và lõi sắt từ Rotor của động cơ được thiết kế gồm các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính đan xen nhau

Hình 1-4: Động cơ từ trở đồng bộ - SynRM Cấu trúc Rotor được cấu tạo bởi các lá thép định hướng và được phân cách bởi lớp vật liệu từ tính so cho để tăng từ trở dọc trục và từ trở ngang trục của động cơ khác nhau, sinh ra mômen từ trở làm động cơ quay Mô men này

do từ thông stator cảm ứng sang rotor có xu hướng sao cho rotor phải quay tựa theo từ trường stator với vị trí từ trở là nhỏ nhất

27

 Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor – SRM)

Động cơ SRM có cấu tạo của rotor và stator đều có dạng cực lồi, trên stator có dây quấn tương tự như dây quấn kích từ của động cơ một chiều, rotor chỉ là một khối sắt, không có dây quấn hay nam châm Với cấu tạo đặc biệt này, SRM rất bền vững về cơ khí, cho phép thiết kế ở dải tốc độ rất cao, lên tới hàng chục nghìn vòng/phút

Hình 1-5: Động cơ từ trở thay đổi - SRM Động cơ SRM cũng có những nhược điểm làm hạn chế khả năng ứng dụng của nó Giống với động cơ BLDC, động cơ SRM không thể cấp nguồn trực tiếp từ nguồn DC hay nguồn AC mà phải sử dụng một bộ chuyển mạch điện tử Kết cấu động cơ đơn giản, nhưng lại khó điều khiển với chất lượng cao vì có độ nhấp nhô mômen (torque ripple) lớn, đặc biệt là trong thời gian chuyển mạch Mặt khác, do cấu tạo cực lồi, động cơ có tính phi tuyến cao, gây khó khăn cho việc điều khiển và thiết kế động cơ

Các trung tâm nghiên cứu của các hãng xe nổi tiếng trên thế giới như Ford, Toyota, BMW, Mitsubishi đã chế tạo các mẫu xe thử nghiệm cũng như chế tạo các ô tô điện đã và đang được hoạt động trên thế giới Một số loại động cơ sử dụng trên ô tô điện được trình bày trong bảng sau

28

Động cơ một chiều

Động cơ từ trở thay đổi

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

29

1.2.2 Đặc tính tốc độ của động cơ và của ô tô điện

Ngoài ưu điểm là không cần sử dụng nhiên liệu hóa thạch nên không phát thải khí CO2, động cơ điện còn có những ưu điểm vượt trội về khả năng điều khiển (với các phương pháp điều khiển tiên tiến có thể điều khiển động

cơ dễ dàng, qua đó nâng cao chất lượng động học của ô tô điện), cụ thể là:

- Khả năng đáp ứng mô men nhanh và chính xác Động cơ điện có khả năng đáp ứng mô men nhanh gấp khoảng 100 lần so với động cơ đốt trong

- Khả năng đơn giản hóa hệ thống truyền lực trên ô tô Sử dụng động cơ điện để truyền lực cho ô tô, động cơ có thể được tích hợp bên trong các bánh xe, nên ô tô điện có thể có một, hai hoặc bốn động cơ truyền động

- Khả năng kiểm soát mô men và công suất của động cơ điện Khác với động cơ đốt trong, ta có thể tính toán, ước lượng một cách chính xác và

dễ dàng mômen điện từ của động cơ điện bằng cách đo các thông số về dòng điện và điện áp của động cơ Ước lượng được mômen sẽ giúp ta điều khiển chính xác mômen do động cơ sinh ra, điều rất khó thực hiện trên động cơ đốt trong

- Đặc tính mô men - tốc độ của động cơ điện gần giống với đặc tính làm việc của ô tô

Vì vậy, động cơ điện ngày nay được ứng dụng nhiều trong hệ truyền động cho

ô tô

Khi cản chuyển động lớn, động cơ cần phát ra mô men lớn để khắc phục mô men cản nên tốc độ không lớn Khi cản nhỏ, động cơ có thể hoạt động với tốc độ lớn hơn Động cơ điện có hai vùng tốc độ làm việc:

 Vùng tốc độ dưới tốc độ cơ bản (vùng mômen không đổi)

 Vùng tốc độ trên tốc độ cơ bản (vùng công suất không đổi)

30

Đối với ô tô, yêu cầu động cơ luôn phải làm việc ở vùng II Đặc tính làm việc của động cơ điện sẽ có đường công suất ổn định (đường đẳng công suất) Với đặc tính này công suất có thể đạt lớn nhất tại bất kỳ tốc độ nào của động cơ Khi khởi động, mô men của động cơ tăng lên rất cao, có thể cao hơn đường định mức Nhưng mô men này chỉ duy trì trong thời gian ngắn, khi công suất đạt đến cực đại thì mô men giảm dần Cần mở rộng phạm vi làm việc ở vùng công suất động cơ không đổi

Động cơ điện thường được sử dụng cho 3 nhóm tải sau:

- Tải mô men không đổi là tải yêu cầu công suất đầu ra có thể thay đổi cùng với tốc độ hoạt động nhưng mô men quay không đổi Băng tải, lò quay

và các bơm pittông là những ví dụ điển hình của tải mô men không đổi

- Tải mô men thay đổi là những tải mà mô men thay đổi khi tốc độ hoạt động thay đổi Bơm ly tâm và quạt là những ví dụ điển hình của tải mô men thay đổi (mô men tỷ lệ bậc hai với tốc độ)

- Tải công suất không đổi là những tải mà các yêu cầu mô men thường thay đổi ngược với tốc độ Những máy công cụ là ví dụ điển hình về tải công suất không đổi hoặc chuyển động của ô tô cũng tương tự

Để chọn công suất cũng như loại động cơ sử dụng ta cần biết những yêu cầu cơ bản sau:

- Đặc tính phụ tải yêu cầu (Pyc(ω), Myc(ω)) và đồ thị phụ tải thay đổi theo thời gian (Pyc(t), Myc(t), ωyc(t))

- Phạm vi thay đổi tốc độ của phụ tải (ωmin, ωmax)

- Loai động cơ dự định chọn

Hai yếu tố đầu tiên nhằm xác định Pycmax và Mycmax, từ đó lựa chọn loại động cơ và công suất động cơ phù hợp với điều kiện làm việc của tải, và có đặc tính điều chỉnh phù hợp với đặc tính thay đổi của tải

Đặc tính làm việc của ô tô được chỉ ra trên hình 1-6

31

- Khi xe chuyển động, nếu gặp cản lớn thì vận tốc xe sẽ giảm dần, nếu cản tác động tới xe nhỏ thì xe có thể chạy ở tốc độ cao Khi đó, công suất kéo cấp xuống yêu cầu không đổi (P = const)

- Phạm vi thay đổi tốc độ của xe yêu cầu càng cao càng tốt

- Khả năng khắc phục cản của xe khi hoạt động yêu cầu càng lớn càng tốt

Hình 1-6: Đặc tính làm việc của ô tô

Để đáp ứng được điều kiện làm việc này của xe đặc tính công suất và mô men của động cơ lý tưởng như trên hình 1-7

Hình 1-7: Đặc tính làm việc lý tưởng Công suất của động cơ phải được giữ không đổi trên toàn bộ dải tốc độ Do

đó, mô men và tốc độ sẽ có quan hệ hypebol Với đặc tính này, công suất lớn

n

32

nhất có thể đạt tại bất kỳ tốc độ nào của xe, nên nâng cao hiệu suất xe Tuy nhiên, tại vùng tốc độ thấp, mô men cấp phải được giữ không đổi và không vượt quá giá trị mô men giới hạn phụ thuộc vào sự tiếp xúc giữa bề mặt lốp

và đường (giá trị giới hạn là xác định theo điều kiện độ bám) Với đặc tính này, xe sẽ được cung cấp giá trị lực kéo lớn để có thể tăng tốc xe, khởi hành với điều kiện tải lớn (kéo mooc, leo dốc, )

Với các xe sử dụng động cơ đốt trong hiện nay, có đặc tính mô men và đặc tính công suất của động cơ không phù hợp với đặc tính hoạt động của xe: phạm vi thay đổi tốc độ của động cơ đốt trong nhỏ hơn so với yêu cầu, hệ số thay đổi mô men nhỏ Đặc tính này xa với đặc tính làm việc lý tưởng của xe Động cơ đốt trong làm việc bắt đầu từ giá trị tốc độ không tải, giá trị mô men lớn nhất đạt tại giá trị tốc độ ở giữa Khi tốc độ tăng nhanh thì mo men động

cơ giảm xuống và công suất tăng dần sau đó giảm nhanh Vì vậy tốc độ cho phép lớn nhất giới hạn tại ngay sau tốc độ mà công suất động cơ đạt cực đại

Vì vậy các xe sử dụng động cơ đốt trong cần có thêm hộp số có cấp hoặc vô cấp để có thể tạo ra lực kéo ở bánh xe có dạng đặc tính gần giống với yêu cầu

chuyển động của xe (hình 1-8) Tuy nhiên để đảm bảo khả năng đáp ứng được

ở các điều kiện cản khác nhau thì yêu cầu hộp số phải có nhiều cấp số hoặc sử

Công suất Momen

Động cơ điện có thể hoạt động ngay tại giá trị tốc độ bằng không, tăng dần tới giá trị tốc độ cơ bản mà tại đó công suất động cơ điện đạt đến giá trị cực đại Lúc này giá trị điện áp đặt vào động cơ tăng tới giá trị giới hạn (điện

áp định mức) trong khi dòng điện được giữ tại giá trị không đổi Trong vùng tốc độ dưới tốc độ cơ bản này, mô men động cơ được giữ không đổi Trên xe điện thì vùng tốc độ này không cần quá lớn, vì giai đoạn khởi động ban đầu là ngắn Khi tốc độ động cơ tăng trên vùng tốc độ cơ bản, điện áp cấp vào động

cơ được giữ không đổi (tại giá trị định mức) và dòng điện yếu đi Điều này khiến công suất đầu ra không đổi trong khi mô men và tốc độ có quan hệ hypebol Đặc tính lực kéo tại các bánh xe khi sử dụng động cơ điện như trên hình 1-9 Khi sử dụng động cơ điện xe có thể khắc phục được các điều kiện

n (rpm)

Công suất không đổi

M

n cơ bản

P

34

cản khác nhau với phạm vi thay đổi momen lớn, và phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn

Các thông số đánh giá khả năng động lực học của xe gồm có:

 Công suất: Nói chung công suất của động cơ càng lớn, ô tô càng có tính năng động lực học cao Tuy nhiên, tính năng động lực học của xe bị giới hạn bởi điều kiện mặt đường mà xe đang hoạt động,

 Lực kéo: Quyết định khả năng chuyển động của xe, khả năng động lực học của xe,

 Nhân tố động lực học D: Thể hiện khả năng động lực học của xe,

 Thời gian tăng tốc từ 0 đến 100 km/h và đến vận tốc tối đa,

 Quãng đường tăng tốc đến 100 km/h và đến vận tốc tối đa

Khả năng động lực học của một xe phụ thuộc vào động cơ, tỉ số truyền của hệ thống truyền lực, phương thức điều khiển tỉ số truyền, bố trí chung của ô tô và phân bố khối lượng trên các cầu xe Trong các điều kiện hoạt động cụ thể, nó phụ thuộc vào khả năng bám của bánh xe với mặt đường

1.2.3 Các hệ truyền động điện trên ô tô điện

Hệ truyền động điện trên ô tô là hệ truyền động điện có điều chỉnh tốc

độ bao gồm các khối chức năng sau (hình 1-10):

- Khối nguồn năng lượng (Nguồn điện): Gồm 1 dãy ắc quy, để tích trữ

năng lượng khi xe hoạt động Bao gồm cả bộ nguồn để nạp điện cho bộ

ắc quy

- Khối điều khiển: Nhận tín hiệu từ bàn đạp ga, góc quay vành lái, bàn

đạp phanh để có phương án điều khiển phù hợp Bao gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh truyền động và công nghệ, ngoài ra còn có các thiết bị điều khiển, đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành

- Bộ biến đổi nguồn điện: Biến đổi điện năng từ ắc quy để cung cấp

nguồn phù hợp cho động cơ điện hoạt động tương ứng với các điều kiện

35

làm việc khác nhau Tạo công suất làm việc phù hợp cho các động cơ Ví

dụ như các bộ chỉnh lưu Thyristor, bộ biến tần transistor Cấu trúc bộ biến đổi phụ thuộc vào loại động cơ sử dụng

- Động cơ điện: Tạo ra mô men để kéo xe Có thể sử dụng một trong số

các loại động cơ điện như đã nêu ở trên Hoặc là động cơ một chiều hoặc

là động cơ xoay chiều

- Hộp số - Bộ truyền cơ khí: Truyền chuyển động từ động cơ điện xuống

các bánh xe Khi sử dụng hộp số ta có thể mở rộng vùng tốc độ của xe

1.2.3.1 Hệ truyền động động cơ đồng bộ ba pha

Hiện nay, động cơ đồng bộ được các nhà sản xuất ô tô điện ứng dụng khá nhiều, điển hình là các loại động cơ đồng bộ IPM, SRM, SynRM Nguồn điện trên xe được cung cấp từ các bộ tích trữ năng lượng từ nguồn một chiều

DC như từ ắc quy, hoặc pin nhiên liệu Fullcell, hoặc siêu tụ Suppercapacitors đều có công suất bé, trong khi đó, động cơ lại sử dụng bộ nguồn xoay chiều

ba pha công suất lớn Vì vậy, từ nguồn DC sau khi khuếch đại công suất

Hình 1-10: Sơ đồ truyền động điện trên xe điện sử dụng 04 động cơ điện

Động

cơ Hộp số

Bộ biến đổi

Bộ điều khiển

Nguồn điện

Động

cơ

Hộp số Động

Tín hiệu bàn đạp phanh

và chế độ sản sinh công suất (công suất định mức ) Ở xe điện, dải công suất truyền động từ 20kW tới 100kW

Hình 1-12: Sơ đồ mạch lực biến đổi điện áp của động cơ đồng bộ

Sơ đồ mạch lực điều khiển động cơ như hình 1-12 Bộ biến đổi DC/AC (bộ inverter) sử dụng 6 van bán dẫn IGBT biến đổi nguồn một chiều công suất cao thành nguồn xoay chiều cấp vào động cơ Các van IGBT được điều khiển

từ các bộ phát xung PWM Việc điều khiển tốc độ động cơ được phân làm hai vùng khác nhau, vùng tốc độ dưới tốc độ cơ bản và vùng tốc độ trên tốc độ cơ

37

bản Để điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ có thể có nhiều luật điều khiển khác nhau để tác động tới các van IGBT của bộ chỉnh lưu như luật điều chỉnh V/f, điều khiển trực tiếp momen DTC, điều khiển tựa từ thông rotor FOC, điều khiển vecto Ở động cơ đồng bộ trên ô tô điện phương pháp điều khiển vecto được sử dụng rộng rãi trong các bộ điều khiển

 Phương pháp điều khiển vecto

Trong động cơ đồng bộ từ thông rotor luôn phân cực, có hướng nhất quán và cố định, hơn nữa, rotor luôn quay đồng bộ với từ trường stator (độ trượt bằng không) nên cót hể gắn một hệ trục quay đồng bộ vào rotor, gọi là

hệ trục tọa độ từ thông rotor (d,q), trong đó, trục d trùng cực bắc của nam châm rotor Với phạm vi điều chỉnh dưới tốc độ cơ bản lựa chọn điều khiển dòng Id=0

Hình 1-13: Quy ước hệ trục tọa độ trong động cơ ba pha

Mô hình vecto không gian mô phỏng động cơ điện đồng bộ được xây dựng dựa trên cơ sở từ các hệ trục tọa độ cố định (α,β) và hệ trục tọa độ từ thông rotor (d,q)

Sơ đồ điều khiển vecto động cơ PMSM như hình 1-14 Phương pháp này sử dụng luật điều khiển vecto với tín hiệu phản hồi thu được thông qua việc đo các tín hiệu dòng điện, điện áp của động cơ, mà không sử dụng các cảm biến đo tốc độ, cảm biến vị trí

38

Hình 1-14: Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ PMSM Lúc này momen động cơ phụ thuộc vào giá trị dòng điện Iq Tốc độ động cơ ngoài vùng tốc độ cơ bản có thể được điều khiển bằng cách giảm từ thông kích thích Với động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm điện, để giảm từ thông, đơn giản chỉ cần giảm dòng điện kích từ tương ứng Đối với động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu thì cần phải tạo ra một thành phần của từ thông phản ứng phần ứng theo hướng khử từ của nam châm vĩnh cửu để giảm

từ thông kích thích, có nghĩa là phải "bơm" vào dây quấn stator một dòng điện khử từ (-id) Giá trị -id được điều khiển bởi bộ phát hàm số

1.2.3.2 Hệ truyền động động cơ một chiều (DC) và động cơ một chiều

không chổi than (BLDC)

a) Hệ truyền động động cơ một chiều (DC)

Động cơ điện một chiều được sử dụng phổ biến trong công nghiệp, giao thông vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng Trên thực tế, đặc tính cơ của động cơ điện kích

từ độc lập và kích từ song song hầu như giấu nhau, nhưng khi cần công suất lớn thường dùng động cơ điện kích từ độc lập để điều chỉnh dòng điện kích từ được thuận lợi và kinh tế hơn Trên ứng dụng ở ô tô điện thì nguồn kích từ này dễ dàng được lấy từ nguồn DC trên xe nên được sử dụng thuận tiện