3.2.3.1. Giới thiệu
Trong hệ thống truyền động của xe điện, động cơ điện có nhiệm vụ cung cấp động lực cho cơ cấu truyền động. Tùy theo điều kiện vận hành và đặc điểm của mỗi loại hệ thống truyền động sẽ có các yêu cầu đặt ra cho mỗi loại động cơ điện khác nhau.
Để hệ thống truyền động điện trên ô tô điện làm việc được tốt, có hiệu suất và tính ổn định cao thì giữa động cơ điện và cơ cấu truyền động phải đảm bảo có một sự phù hợp tương ứng nhất định. Chính vì vậy, việc chọn lựa động cơ để đáp ứng tốt các yêu cầu của cơ cấu dẫn động có ý nghĩa hết sức to lớn không chỉ về mặt kỹ thuật và còn về mặt kinh tế. Do vậy muốn phân tích để lựa chọn được một động cơ điện hợp lý phải xem xét dựa trên các đặc điểm về mặt kinh tế và kỹ thuật để có được một động cơ điện phù hợp nhất, vận hành tốt trong điều kiện kinh tế, hạ tầng và môi trường của nước ta hiện nay.
- Về mặt kinh tế:
Khi đánh giá về phương diện kinh tế, một động cơ điện dùng để là nguồn động lực cho hệ thống truyền động trên ô tô điện phải có giá thành ban đầu hợp lý. Với điều kiện về độ ẩm và khí hậu nước ta hiện nay, đặc biệt là ô nhiễm khói bụi tại những nút giao thông có mật độ xe lớn thì bảo dưỡng là một vấn đề đáng quan tâm.
Với động cơ một chiều dùng chổi than, phải sử dụng chuyển mạch cơ khí, sử dụng cổ góp và chổi than nên công nghệ chế tạo phức tạp, dẫn đến giá thành của động cơ một chiều cũng tăng cao và công suất động cơ bị giới hạn. Cũng chính những đặc điểm này đã làm tuổi thọ của động cơ điện một chiều cũng kém hơn động cơ điện xoay chiều loại rotor lồng xóc, trong khi chúng lại yêu cầu bảo dưỡng định kỳ nhất là ở vị trí cổ góp chổi than.
Động cơ một chiều không chổi than có đặc tính giống động cơ một chiều dùng chổi than tuy nhiên nó khắc phục được các nhược điểm của động cơ dùng chổi than.
Nếu so sánh động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều có cùng công suất thì động cơ điện xoay chiều có giá thành thấp hơn, kích thước và khối lượng của động cơ điện xoay chiều cũng nhỏ hơn. Tuy nhiên khi dùng động cơ điện xoay chiều trên xe điện cần phải dùng bộ biến đổi tần số để chuyển dòng điện một chiều từ ắc quy thành dòng điện xoay chiều. Thiết bị này có giá thành cao nên nếu xét về kinh tế thì không khả thi trên xe điện.
Qua những phân tích trên ta thấy động cơ một chiều không chổi than có ưu thế hơn hẳn kích thước, khối lượng của nó cũng thích hợp hơn so với các loại động cơ khác. Giá thành động cơ này cao hơn các loại động cơ khác nhưng loại động cơ này ngày càng phổ biến và giá thành của loại động cơ này cũng phù hợp để dùng trên ô tô điện.
- Về mặt kỹ thuật:
Ta đánh giá các yêu cầu về mặt kỹ thuật dựa vào các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điều chỉnh tốc độ của động cơ điện. Một trong những vấn đề lớn nhất đối với hệ thống truyền động trên ô tô điện là phải nâng cao được mức độ tự động và hiệu suất truyền động của cơ cấu. Để thỏa mãn được điều này, vấn đề điều chỉnh tốc độ của động cơ phải luôn phù hợp theo yêu cầu của tải và đạt được độ phẳng cao.
Hiện nay để điều chỉnh tốc độ ở tải có thể thực hiện theo phương pháp cơ, điện-cơ hay điện thuần túy.
Phương pháp cơ là phương pháp điều chỉnh có cấp nhờ thay đổi tỷ số truyền ở hộp số hoặc điều chỉnh vô cấp nhờ ly hợp ma sát, đĩa ma sát... Nhưng phương pháp này là cho kết cấu của máy trở nên cồng kềnh nên thực tế ít dùng đến.
Phương pháp điện-cơ là phương pháp kết hợp thay đổi tỷ số truyền qua các cặp bánh răng với việc thay đổi tốc độ động cơ bằng phương pháp điện. Phương pháp này làm cho cơ cấu truyền động thêm phức tạp nên cũng ít thông dụng.
Phương pháp điện thuần túy đang được dùng ngày càng phổ biến. Đó là phương pháp thay đổi tốc độ của hệ thống truyền động bằng cách thay đổi tốc độ động cơ điện. Phương pháp này làm giảm nhẹ kết cấu cơ khí và cho hiệu suất truyền động tốt nhất, đây là phương pháp thích hợp dùng trên ô tô điện. Chính vì vậy, chúng ta chỉ khảo sát các phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng điện. Để hệ thống truyền động đạt hiệu suất cao thì việc điều chỉnh tốc độ phải thỏa mãn các chỉ tiêu sau:
+ Dải điều chỉnh tốc độ:
Dải điều chỉnh tốc độ (hay phạm vi điều chỉnh tốc độ) là tỷ số giữa giá trị tốc độ làm việc lớn nhất và nhỏ nhất của hệ thống truyền động điện ứng với một momen tải đã cho: D = max/min, dải điều chỉnh tốc độ càng lớn càng tốt.
+ Độ bằng phẳng chỉnh tốc độ:
Độ bằng phẳng khi chỉnh tốc độ được biểu thị bởi tỷ số giữa hai giá trị tốc độ của 2 cấp kế tiếp trong dải điều chỉnh: γ= i+1/i
Trong đó: i: tốc độ ổn định ở cấp i.
i+1: tốc độ ổn định ở cấp i + 1.
Trong một dải điều chỉnh tốc độ, số cấp tốc độ càng lớn thì sự chênh lệch tốc độ giữa hai cấp kế tiếp càng ít và độ bằng phẳng càng tốt. Khi số cấp tốc độ rất lớn (k → ∞) thì độ bằng phẳng γ → 1. Trường hợp này hệ điều chỉnh gọi là vô cấp và có thể có mọi tốc độ trong toàn bộ dải điều chỉnh.
+ Độ cứng của đặc tính cơ:
Để hiểu rõ vai trò của đặc tính cơ ta xét 2 đặc tính cơ 1 và 2 (hình 3.10). Giả sử khi moment cản là Mc thì 2 đặc tính đều ứng với tốc độA tại điểm A. Nếu moment cản gia tăng một lượng ∆M thì điểm làm việc trên đặc tính 1 sẽ chuyển tới điểm B ứng với tốc độB, còn trên đặc tính 2 sẽ chuyển tới điểm C ứng với tốc độC. Vì đặc tính cơ 2 mềm hơn đặc tính cơ 1 nên ta thấyB <C nghĩa là lượng sụt tốc của động cơ làm việc trên đặc tính cơ 2 dốc hơn lượng sụt tốc trên động cơ 1 (∆1 < ∆2 ) ứng với cùng một lượng gia tăng moment cản.
Hình 3. 10: Độ cứng đặc tính cơ và sự ổn định tốc độ
Như vậy đặc tính cơ càng cứng thì sự thay đổi tốc độ của một hệ truyền động càng ít khi phụ tải thay đổi nhiều. Do đó, sai lệch tốc độ càng nhỏ và hệ làm việc càng ổn định, phạm vi điều chỉnh tốc độ sẽ rộng hơn. Vậy hệ điều chỉnh tốt là giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của các đường đặc tính cơ.
+ Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải:
Khi chọn hệ điều chỉnh tốc độ với phương pháp điều chỉnh nào đó cho một hệ cần lưu ý sao cho các đặc tính điều chỉnh bám sát yêu cầu đặc tính của tải máy công tác. Như vậy hệ sẽ làm việc đảm bảo được các yêu cầu chất lượng và đạt đổ ổn định cao.
3.2.3.3. Phân loại
- Theo phương pháp cung cấp năng lượng thì động cơ điện được phân ra làm: động cơ xoay chiều (AC) và động cơ một chiều (DC).Và từ hai loại động cơ điện này, tùy theo cấu trúc động cơ và cơ chế vận hành mà người ta lại phân chia ra thành các loại khác nhau như sau:
- Đối với động cơ một chiều DC thì như tên gọi cho thấy sử dụng nguồn cung cấp
là dòng điện một chiều. Nó có ưu điểm là dễ điều khiển tốc độ mà không ảnh hưởng tới công suất và giá cả rẻ hơn, qua phân tích đồ thị đặc tính cơ (hình 3.12) thì ta thấy động cơ điện một chiều có khả năng cung cấp một moment khởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng. Nhưng bên cạnh đó thì nó lại có kích thước v à trọng lượng lớn hơn động cơ AC.
- Đối với động cơ xoay chiều AC thì ưu điểm chính động cơ này là thường đạt
được hiệu suất cao và phạm vi hoạt động rộng, nhưng các mạch điện tử phức tạp cần phải lắp thêm bộ biến tần tuy nhiên thiết bị này chỉ cải thiện việc điều khiển tốc độ nhưng chất lượng dòng điện lại giảm và có hệ số tỷ lệ công suất/trọng lượng là cao (gấp đôi so với tỷ lệ công suất: trọng lượng của động cơ điện một chiều).
Hình 3. 12: Đường đặc tính cơ của 3 loại động cơ điện
Hiện nay, động cơ điện một chiều có hai loại: động cơ một chiều có chổi than và động cơ một chiều không chổi than. Loại có chổi than thì tuổi thọ không cao, trong quá trình vận hành đòi hỏi phải bảo dưỡng chổi than, còn động cơ điện một chiều không chổi than có rất nhiều ưu điểm nhưng giá thành rất cao. Vì vậy xét về mặt kinh tế thì ta chọn loại động cơ điện một chiều có chổi than làm nguồn động lực cho xe thì giá thành của xe sẽ giảm bên cạnh đó vẫn đảm bảo được các đặc tính kỹ thuật cần thiết cho xe thiết kế.
Theo cách kích thích từ thì động cơ điện một chiều có rất nhiều loại. Theo cách phân loại này thì có các loại động cơ điện như:
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Bao gồm động cơ kích thích bằng nam
châm vĩnh cửu hay kích thích điện từ. Loại kích thích bằng nam châm vĩnh cửu chỉ dùng cho các loại động cơ có công suất nhỏ (cỡ vài chục Watt). Loại kích thích điện từ có dây quấn lấy điện từ ắc quy lưới điện một chiều và được dùng trong trường hợp điều chỉnh điện áp trong phạm vi rộng, công suất lớn và điện áp thấp hoặc điện áp cao.
- Động cơ điện một chiều tự kích thích: Tuỳ theo cách nối các dây quấn kích thích ta có:
+ Động cơ điện một chiều kích thích song song. + Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp. + Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp.
U It Ut Iø I Rdc Iø It U I Iø I U Rt Rt Iø I U Rdc It (a) (b) (c) (d) Hình 3. 13: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
(a): Kích thích độc lập. (b): Kích thích song song. (c): Kích thích nối tiếp. (d): Kích thích hỗn hợp.
3.2.3.4. Kết luận
Dựa vào các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật nêu trên cũng như các đặc tính của các loại động cơ đã nêu ta chọn ra những ưu điểm của động cơ điện một chiều không chổi than và đây cũng là tiêu chuẩn để đánh giá động một loại động cơ phù hợp dùng trong hệ thống truyền động cho ô tô điện. Chúng ta đã rút ra được động cơ này thật sự ưu thế hơn các loại động cơ khác. Động cơ BLDC thích hợp và có hiệu quả khi sử dụng trên ô tô điện.
Vậy để đáp ứng được yêu cầu cả moment và tốc độ động cơ ta lựa chọn loại động cơ điện một chiều không chổi than, có công suất định mức là Nđm = 800 (W).
Kích thước của động cơ đã chọn như sau :
Hình 3. 14: Các kích thước cơ bản của động cơ điện sử dụng Bảng 3. 1: Thông số cơ bản động học của xe
STT Đặc điểm Giá trị
1 Tải trọng 1667,7N
2 Lốp xe chủ động 3.00-10
3 Công suất động cơ 800 W
4 Moment lớn nhất động cơ 10,53 N.m 5 Tốc độ lớn nhất động cơ 3000 rpm 6 Tỉ số truyền hệ truyền động 10:1 7 Điện áp sử dụng DC 48 V 3.2.4. Ắc quy 3.2.4.1. Công dụng
Trong hệ thống điện ôtô, máy kéo thì ắc quy là nguồn năng lượng phụ để: Cung cấp năng lượng cho máy khởi động khi khởi động động cơ; cung cấp năng lượng cho tất cả các phụ tải khác khi động cơ không làm việc hoặc làm việc ở số vòng quay nhỏ; nếu phụ tải mạch ngoài lớn hơn công suất của máy phát thì ắc quy sẽ cùng máy phát cung cấp cho các phụ tải.
3.2.4.2. Yêu cầu
Các ắc quy dùng trên xe điện phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Có dung lượng lớn và khối lượng và kích thước tương đối bé. - Có điện thế ổn định, hiện tượng tự phóng điện không đáng kể.
- Làm việc tin cậy khi nhiệt độ môi trường thay đổi trong phạm vi rộng.
- Phục hồi nhanh chóng dung lượng khi được nạp trong các điều kiện sử dụng khác nhau.
- Đơn giản trong bảo quản và sửa chữa.
- Có độ bền cơ học cao, chịu được rung sóc, thời gian phục vụ lớn, giá thành rẻ.
3.2.4.3. Tính dung lượng ắc quy
Ta có dung lượng ắc quy được tính như sau:
t.P Q [Ah] U.n (3.20) Trong đó:
Pkđ: Công suất máy khởi động, Pkđ = Nkđ = 800W. U: Hiệu điện thế ắc quy, U = 48V.
Q: Dung lượng ắc quy dùng trong xe điện Ah
t: Thời gian cung cấp điện cho động cơ, trong trường hợp này ta chọn 1h30 phút.
n: Hệ số năng suất bộ kích điện, thường là 0,7 hoặc 0,8 nên ta chọn 0,7. Thay các giá trị vào biểu thức ta được:
1,5.800
Q 35,71 Ah
48.0,7
Vì ắc quy nên sạc lại khi phần trăm còn lại là 20% thì sẽ đảm bảo tuổi thọ của ắc quy tốt hơn nên ta có dung lượng của ắc quy được lựa chọn là: Q=35,71/0,8=44,64 (Ah).
Chọn ắc quy XUPAI 6-DZF-12 (12V/12Ah).
Hình 3. 15 : Ắc quy đã chọn
Ta sử dụng 4 ắc quy mắc nối tiếp nhau để đảm bảo được dung lượng và điện áp yêu cầu cho động cơ.
Bảng 3. 2 Thông số ắc quy STT Đặc điểm Giá trị 1 Xupai 6-DZF-12 2 Điện áp 12 V 3 Dung lượng 12 Ah 4 Chiều dài 150 mm 5 Chiều rộng 98 mm 6 Chiều cao 98 mm
7 Sản xuất tại Trung Quốc
3.3. Tính toán sức kéo của xe điện
3.3.1. Xây dựng các đường đặc tính động cơ
Đặc tính động cơ là các đường công suất và moment theo tốc độ động cơ: Ne = f(ωe); Me = f(ωe).
max M N M K M (3.21) Trong đó:
Mmax: Moment lớn nhất được sinh ra của động cơ điện hay chính là moment tại số vòng quay mà tại đó động cơ bắt đầu đạt công suất cực đại (N.m).
MN: Moment định mức của động cơ điện (N.m).
Khi tốc độ góc của động cơ: ω ≤ ωB, thì ta có: Me = conts; Ne M .ee W . Khi tốc độ góc của động cơ: ω ≥ ωB: Ne = conts; Me Ne eN.m.
ωB: tốc độ góc cơ bản mà tại đó công suất động cơ điện đạt đến giá trị cực đại. Với động cơ điện ta có các thông số ban đầu: Nemax = 800(W); n = 3000(vòng/phút).
Ta tính được: N .n .3000 314 rad / s 30 30 (3.22)
Moment định mức của động cơ: e
N e N 800 M 2,55 N.m 314 (3.23)
Hệ số thích ứng của động cơ theo moment xoắn:
max M N M 10,53 k 4,13 M 2,55 (3.24) M M 1 1 0, 24 k 4,13 (3.25) Tốc độ góc ứng với moment xoắn cực đại:
e M max max N 800 75,97 rad / s M 10,53 (3.26) Ta có: M N M 1 k hay M. N M
Từ đó, ta lập được bảng các thông số moment và công suất: Bảng 3. 3: Bảng số liệu xây dựng đặc tính động cơ
1 0.1 31.40 10.53 331 2 0.2 62.80 10.53 661 3 0.24 75.97 10.53 800 4 0.3 94.20 8.49 800 5 0.4 125.60 6.37 800 6 0.5 157.00 5.10 800 7 0.6 188.40 4.25 800 8 0.7 219.80 3.64 800 9 0.8 251.20 3.18 800 10 0.9 282.60 2.83 800 11 1.0 314.00 2.55 800 12 1.1 345.40 2.32 800 13 1.2 376.80 2.12 800 14 1.3 408.20 1.96 800 15 1.4 439.60 1.82 800 16 1.5 471.00 1.70 800
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00