Để đảm bảo an toàn chức năng cần thiết, một điều kiện hoạt động an toàn đã xác định phải được duy trì vĩnh viễn. Cả trong quá trình hoạt động bình thường và trong trường hợp lỗi, không được tạo ra moment xoắn không mong muốn. Điều này có nghĩa là tất cả các lỗi liên quan phải được phát hiện và xử lý khi thiết kế hệ thống, phần cứng và phần mềm thích hợp.
Trong trường hợp hệ thống xuất hiện lỗi, tuỳ thuộc vào lỗi tương ứng sẽ được kích hoạt để tắt máy nếu cần thiết. Sự ưu tiên của lỗi được đưa ra bởi ban quản lý lỗi. Về cơ bản tồn tại hai phản ứng ngắt điều khiển máy.
3.5.2.1 Phương pháp ngắt tức thời
Ngắt tức thời là ngắt tiêu chuẩn trong trường hợp xấu nhất. Nó được kích hoạt khi xảy ra lỗi khiến dòng điện lúc này không an toàn cho việc kiểm soát moment xoắn. Trong những trường hợp này, mục tiêu là đảm bảo rằng không có moment nào được tạo thành càng nhanh càng tốt. Giải pháp là ngắn mạch ba pha của Stator (ASC) và khử khích từ
88 Rotor bằng cách mở cả hai IGBT. Tuy có thể đạt được moment xoắn cực đại, nhưng sau ít hơn 30ms cả dòng điện Stator và Rotor đều không chạy và không còn moment xoắn nào được tạo thành.
Điều này chứng tỏ rằng thời gian chịu lỗi nghiêm trọng (FTT), thời gian tối đa mà người lái xe có thể xử lý tình huống moment xoắn không mong muốn mà không xảy ra bất kỳ rủi ro nguy hiểm nào sẽ phải thấp hơn 50ms.
Phản ứng ngắt tức thời cũng được kích hoạt bởi phần cứng trong trường hợp phát hiện lỗi quá dòng hoặc lỗi giai ở đoạn nguồn. Nếu các lỗi được phát hiện bởi các chức năng an toàn, việc ngắn tức thời được thực hiện thông qua một con đường ngắt độc lập.
3.5.2.2 Phương pháp ngắt tích hợp
Tính năng ngắt tích hợp được kích hoạt trong trường hợp các lỗi có ảnh hưởng trực tiếp đến điều khiển động cơ ở mức độ thấp hoặc không. Nó cho phép giảm moment xoắn một cách nhịp nhàng. Cách ngắt có thể thay đổi và được lựa chọn tùy thuộc vào mức độ nghiêm trọng của lỗi. Moment xoắn có thể giảm xuống 0 để đạt được tổng moment xoắn phù hợp.
Trong mọi trường hợp, phải ngăn ngừa moment xoắn không mong muốn của động cơ và cũng như khả năng quá áp của liên kết DC trong trường hợp ngắt trong quá trình hoạt động trong dải suy yếu từ trường. Do đó phải đảm bảo rằng dòng điện thích hợp phải được giữ cho đến khi Rotor đã được khử từ đầy đủ.
Bằng cách loại bỏ dần các giá trị tham chiếu moment xoắn ban đầu tại thời điểm bắt đầu phản ứng ngắt, những hạn chế này được thực hiện bằng cách tra cứu các điểm hoạt động nhất quán được cung cấp bởi các bảng dòng điện tham chiếu. Trong khi việc điều khiển trực tiếp cả ba dòng điện về 0 có thể gây ra sự tăng moment và điện áp không mong muốn của động cơ do ngắt dòng điện Rotor chậm hơn, các giá trị dòng điện nhất quán được điều khiển để ngăn chặn điều này.
89 Khi giá trị moment xoắn và tổng độ khử từ của Rotor sau khi ngắt bằng không, biến tần được chuyển sang ASC và cả hai công tắc kích từ được giữ mở như trong trường hợp ngắt tức thời để duy trì trạng thái an toàn không có dòng điện (Hình 3.23)
Hình 3.30: Ví dụ về phương pháp ngắt tích hợp của động cơ ở 185 Nm và 4000 Rpm
3.6 Hệ thống làm mát động cơ điện và bộ điều khiển của xe Renault ZOE 2020
Do các bộ chuyển đổi hay biến tần của động cơ được đặt thành một cụm kế động cơ, nếu quản lí 2 nguồn nhiệt này bằng hai đường dẫn khác nhau sẽ làm cho hệ thống làm mát phức tạp lên. Thay vào đó Renault hay các hãng xe điện khác đều tích hợp việc làm mát cho động cơ điện và các hệ thống điện tử công suất vào chung một hệ thống.
Trong (Mục 3.6) này chúng ta sẽ tìm hiểu về nguyên nhân phát sinh nhiệt và những ảnh hưởng của chúng đến động cơ điện cùng với đó là các phương pháp quản lí nhiệt của động cơ. Đối với hệ thống làm mát bằng dung dịch chất lỏng (Áo nước đối với động cơ điện) hệ thống này cũng sẽ làm mát cho hệ thống điện tử công suất.
90
3.6.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến động cơ điện
Động cơ điện EESM bản chất là động cơ điện xoay chiều, nó giúp chuyển đổi năng lượng điện đầu vào thành cơ năng để quay các bánh xe. Năng lượng điện không được chuyển đổi 100% thành cơ năng, một phần năng lượng đã bị mất đi (nhiệt). Nhiệt độ động cơ tăng ảnh hưởng đến giới hạn thời gian hoạt động và tuổi thọ của động cơ.
Hình 3.31: Tổn thất nhiệt của động cơ điện xoay chiều
Lớp chịu nhiệt là một phân loại dựa trên cấp độ chịu nhiệt của vật liệu cách nhiệt. Trong lớp động cơ điện AC được phân loại là Class E (120°C) hoặc Class B (130°C). Không thể đo trực tiếp nhiệt độ cuộn dây bên trong động cơ, mà chỉ có thể đo được nhiệt độ bề mặt của vỏ động cơ như một cách để đối chiếu. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa các cuộn dây và vỏ động cơ lên đến 30 ° C. Đối với động cơ EESM thuộc class E.
Bảng 3.6: Chênh lệch nhiệt độ giữa cuộn dây và vỏ động cơ điện.
Heat Class [class] V A E B F H N R -
Wireline allowable temperature [0C] 90 105 120 130 155 190 200 220 250 Case surface temperature indication [0C] 60 75 90 100 125 150 170 190 220
91
3.6.2 Nguyên nhân quá nhiệt ở động cơ điện
Quá tải là một thủ phạm phổ biến trong các vấn đề về nhiệt độ. Do sự thay đổi tải trong thiết bị dẫn động, tải này đã vượt quá tải mà nhà thiết kế đã chọn để động cơ hoạt động trên mức tải định mức. Tình trạng này đôi khi không liên tục, mà xảy ra vào những thời điểm khác nhau.
Ngoài ra, dưới đây là các ví dụ về nguyên nhân gây ra nhiệt độ cao của động cơ: - Nhiệt độ môi trường cao.
- Trục động cơ bị ma sát. - Điện áp cao.
- Điện áp sụt lớn.
- Dung lượng tụ lớn hơn định mức. - Khởi động và dừng thường xuyên.
Thay đổi các điều kiện, chẳng hạn như giảm nhiệt độ xung quanh, có thể làm giảm nhiệt độ gia tăng.
Nhiệt độ hoạt động: Một động cơ thực hiện một lượng công việc nhất định sẽ tạo ra một mức tăng nhiệt độ được gọi là nhiệt độ gia tăng. Điều này, cộng với nhiệt độ môi trường, bằng với nhiệt độ hoạt động của động cơ:
Nhiệt độ gia tăng + Nhiệt độ môi trường = Nhiệt độ hoạt động
3.6.3 Quản lý nhiệt cho động cơ điện xoay chiều
Quản lý nhiệt của động cơ là một thách thức vô cùng phức tạp, vì có nhiều đường truyền nhiệt bên trong động cơ, nhiều loại vật liệu và bề mặt nhiệt phải đi qua để loại bỏ. Nhiệt được tạo ra bởi động cơ điện được phân phối khắp các bộ phận bên trong động cơ điện.
92
Ví dụ: Nhiệt được tạo ra do tổn thất nhiệt bên trong cuộn dây Stator, lớp phủ
Rotor và dây dẫn. Sự phân bố nhiệt sinh ra trong các bộ phận, phụ thuộc vào loại động cơ điện và điều kiện hoạt động của động cơ đó.
Hình 3.32: Ảnh hưởng của quản lý nhiệt đến hiệu suất của động cơ điện
Đối lưu nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động của chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau hoặc sự truyền nhiệt từ một hệ rắn sang một hệ lỏng (hoặc khí) và ngược lại. Renault ZOE đã sử dụng kết hợp giữa làm mát bằng không khí và làm mát bằng chất lỏng để quản lý nhiệt cho động cơ EESM.
Làm mát bằng không khí
Lượng không khí mà quạt cung cấp thay đổi theo đường kính hình khối và tỷ lệ thuận với tốc độ. Trong động cơ làm mát bằng quạt hoàn toàn kín, quạt thường là nguồn chính gây ra tiếng ồn khó chịu. Cho nên phải đảm bảo cung cấp đủ không khí làm mát mà không tạo ra quá nhiều tiếng ồn.
Làm mát bằng không khí cho động cơ EESM Renault ZOE sử dụng quạt tản nhiệt được trang bị phía bên trên của động cơ, lúc này luồng không khí được thổi qua ống dẫn
93 khí làm mát, sau đó làm mát cho bề mặt bên ngoài động cơ và được đưa ra môi trường bên ngoài qua các khe hỡ của vỏ động cơ.
Hình 3.33:Ống thoát khí phía sau của động cơ Renault ZOE
Ngoài ra các động cơ khác, các ống dẫn khí còn có thể phân phối không khí đến lõi Rotor và Stator để cải thiện hiệu quả làm mát. Bộ làm lệch hướng có thể được sử dụng trong các động cơ hở hoặc kín để hướng không khí đến các vị trí cần nó và giảm nhiễu loạn không khí.
94 Khi không khí chảy rối sẽ làm giảm hiệu quả tản nhiệt, vì vậy vị trí của các bộ làm lệch hướng có thể rất quan trọng để tối ưu hóa mạch làm mát. Các ống dẫn bị tắc hoặc bộ làm lệch không khí bị thiếu hoặc không chính xác có thể làm cho động cơ chạy nóng hơn.
Làm mát bằng chất lỏng
Hệ thống làm mát động cơ điện bằng chất lỏng là hệ thống giải nhiệt cho động cơ được ứng dụng nhiều nhất hiện nay. Tùy thuộc vào nhà sản xuất mà có thể chọn dầu hoặc nước tuy nhiên nước được sử dụng nhiều hơn. Renault ZOE đã chọn hệ thống làm mát bằng áo nước.
Việc làm mát thông qua vỏ bọc (áo nước) là hệ thống làm mát cưỡng bức phổ biến nhất. Đây là nơi chất lỏng chảy qua các đường dẫn làm mát nằm trong khung dẫn nhiệt phía trên ngăn xếp Stator. Nhiệt lượng tạo ra trong các cuộn dây, cũng như trong các lớp phủ Stator và Rotor, ban đầu là được chuyển đến vỏ làm mát thông qua dẫn điện, và sau đó được chuyển ra môi trường xung quanh qua sự đối lưu trong chất lỏng làm mát. Hiệu quả của làm mát chất lỏng kỹ thuật phụ thuộc nhiều vào độ hở hình học và kết quả là điện trở nhiệt giữa Stator nhiều lớp lõi và vỏ được làm mát.
Hình 3.35:Làm mát Motor bằng áo nước
Bộ trao đổi nhiệt dựa trên chất lỏng có hiệu quả hơn trong việc loại bỏ nhiệt so với làm mát bằng không khí, vì vậy động cơ có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn. Lợi ích này
95 đi kèm với chi phí tăng thêm trọng lượng và độ phức tạp, do đó động cơ nhỏ hơn có xu hướng sử dụng làm mát bằng không khí. Làm mát bằng chất lỏng phổ biến hơn làm mát bằng không khí trong các ứng dụng RPM cao, moment xoắn thấp.
3.6.4 Hệ thống làm mát điện tử công suất
Làm mát cho hệ thống điện tử công suất để đảm bảo hệ thống không bị quá nhiệt nhằm tăng tuổi thọ và hiệu suất làm việc của hệ thống.
Module biến tần (IGBT) là trung tâm của bộ biến tần công suất xe điện. IGBT điều khiển nguồn điện được cung cấp cho động cơ bằng cách bật và tắt điện áp của ắc quy cao áp ở tốc độ cao và chúng chiếm phần lớn chi phí tạo nên biến tần. IGBT tạo ra rất nhiều nhiệt trong quá trình chuyển đổi và bắt buộc phải giữ cho chúng mát trong suốt quá trình làm việc. Điển hình cho điều khiển nhiệt IGBT là làm mát bằng chất lỏng, hiện tại có 2 loại làm mát bằng chất lỏng chủ yếu cho module biến tần là:
Làm mát gián tiếp bằng chất lỏng
Đối với làm mát gián tiếp bằng chất lỏng. Tấm tản nhiệt cho module biến tần được dán vào mạch làm mát bằng chất lỏng sử dụng mỡ tản nhiệt. Chất lỏng là một hỗn hợp tiêu chuẩn 50/50 của nước làm mát và chất chống đông ô tô. Việc sử dụng phương thức làm mát này đã được chứng minh là hiệu quả hơn so với làm mát bằng không khí trong ứng dụng xe điện, nhưng nó có còn thể được cải thiện hơn nữa.
96 Nhưng khi so sánh với làm mát kiểu trực tiếp thì lại không tối ưu bằng. Cơ sở của phương thức này là một tấm tản nhiệt được ghim giúp tiếp xúc trực tiếp với chất làm mát dạng lỏng.
Làm mát trực tiếp bằng chất lỏng
Renault ZOE đã áp dụng làm mát bằng chất lỏng trực tiếp, loại bỏ các lớp không dẫn nhiệt giữa khuôn IGBT và bộ tản nhiệt. Điều này dẫn đến trở kháng nhiệt thấp hơn với hiệu suất làm mát được cải thiện 35% và dẫn đến hiệu suất biến tần cao hơn.
Hình 3.37:Cấu tạo tấm tản nhiệt trực tiếp
Các module biến tần được làm mát bằng chất lỏng trực tiếp trải qua nhiệt độ thấp hơn tại các điểm hàn quan trọng. Điều này có nghĩa là giảm rủi ro khi hoạt động dẫn đến giảm các quá trình quá nhiệt trên các module biến tần và làm tăng tuổi thọ của biến tần lâu hơn, đặc biệt quan trọng trong môi trường đô thị do các tình huống giao thông dừng và đi lặp lại. Hơn thế nữa, việc bôi mỡ tản nhiệt trong bộ biến tần làm mát bằng chất lỏng gián tiếp là một việc quan trọng cần được kiểm tra và rất dễ bị hỏng. Bằng cách loại bỏ lớp mỡ tản nhiệt trong thiết kế làm mát trực tiếp bằng chất lỏng, việc lắp ráp biến tần được thực hiện nhanh hơn, dễ dàng hơn và đáng tin cậy hơn.
Làm mát gián tiếp bằng chất lỏng yêu cầu phải bôi một lớp mỡ tản nhiệt giữa tấm đế IGBT và bộ tản nhiệt. Bất kỳ sự thay đổi nào về độ dày của mỡ tản nhiệt đều gây ra sự không đồng nhất về nhiệt độ. Trong khi hoạt động, trải qua sự thay đổi nhiệt độ và tạo ra các biến đổi, vì nó bao gồm các vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Điều này dẫn đến tấm nền IGBT bị cong và theo thời gian, gây ra hiện tượng di chuyển mỡ tản nhiệt,
97 biến đổi trở kháng nhiệt sâu hơn và cuối cùng là hỏng hóc của biến tần. Ngược lại, phương pháp làm mát bằng chất lỏng trực tiếp không yêu cầu lớp mỡ tản nhiệt và hầu như loại bỏ nguy cơ thay đổi trở kháng nhiệt.
3.6.5 Sơ đồ làm mát động cơ và các bộ chuyển đổi trên Renault ZOE 2020
Hình 3.38:Sơ đồ khối và đường đi của môi chất làm mát trong hệ thống
Hệ thống làm mát trên bộ điều khiển công suất và hệ thống động cơ thực chất là một phần nhỏ trong sơ đồ hệ thống làm mát chung. Hệ thống làm mát bằng nước bao gồm được sử dụng cho động cơ (đơn vị động cơ điện), biến tần và bộ sạc/bộ chuyển đổi DC-DC của hệ thống trên xe. Chất làm mát được tuần hoàn bởi máy bơm nước bằng điện và nhiệt được thải ra ngoài bởi bộ tản nhiệt.
Lúc này bơm nước không còn được dẫn động bới dây đai như động cơ đốt trong mà thay vào đó được điều khiển bằng điện tử để có thể tối ưu hoá khả năng làm mát cho cụm chi tiết động cơ và bộ điều khiển công suất.
98
Hình 3.39:Các thành phần của hệ thống làm mát Inverter – động cơ điện
Bảng 3.7:Tên các chi tiết trong hệ thốnglàm mát 1 Cooling radiator 2 Clip
3 Engine cooling fan assembly 4 Expansion bottle
5 Cooling radiator degassing pipe 6 Cooling radiator inlet pipe 7 Cooling radiator degassing pipe 8 Electric Coolant pump pipe inlet 9 Cooling radiator outlet pipe 10 Electric Coolant pump
99
Chương 4: HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH TRÊN XE RENAULT ZOE 4.1 Phanh tái sinh trên xe điện
Phanh là một trong những hệ thống quan trọng của xe. Hệ thống phanh cơ mà chúng ta sử dụng trên xe của mình có một nhược điểm lớn là lãng phí động năng của xe dưới dạng nhiệt. Điều này làm giảm hiệu suất tổng thể của xe do ảnh hưởng đến khả năng tiết kiệm. Trong chu trình lái xe trong đô thị, chúng ta có xu hướng khởi động và dừng xe