81
3.3.2 Điều khiển vector
Để thời gian điều khiển đáp ứng kịp với sự thay đổi tốc độ và moment xơắn liên tục, biến tần có thể được tăng cường đáng kể bằng điều khiển Vector thay vì điều khiển vơ hướng. Trong vùng moment không đổi, nếu moment được tăng lên ở từ thông Stator định danh khơng đổi, thì dịng điện từ trường If , Do đáp ứng của dịng điện từ trường chậm vì hằng số thời gian lớn và kết quả là động cơ phản ứng chậm.
Đáp ứng có thể được cải thiện đáng kể bằng điều khiển vector, trong đó dịng điện từ hóa theo có hướng của từ thông trên Rotor có thể được đưa vào tức thời từ phía từ thơng của Stator của động cơ để tính tốn sự gia tăng từ thơng chậm.
Chế độ điều khiển vector gồm 2 chế độ là điều khiển vòng lặp hở (Open loop vector control) và vịng lặp kín (Close loop vector control) có tính chính xác cao hơn chế độ V/F.
- Chế độ vòng lặp hở (Sensorless Vector Control): Là phương pháp điều khiển dựa trên dòng điện hồi tiếp từ động cơ, biến tần sẽ giả lập một vector từ trường quay và điều khiển các thông số tần số, điện áp cho Stator, trong khi bộ môt bộ chỉnh lưu sẽ chịu trách nhiệm điều khiển giá trị dòng điện áp DC cung cấp cho Rotor, để điều khiển một cách chính xác tốc độ động cơ trong nhiều trường hợp khác nhau.
82
- Chế độ vòng lặp kín (Sensor Vector Control): Là phương pháp điều khiển dựa trên xây dựng vector từ trường quay bên trong động cơ. Xác định tốc độ từ trường dựa theo tốc độ thực tế trên trục động cơ thông qua cảm biến Rotor. Dựa vào tín hiệu cảm biến hồi tiếp này, biến tần sẽ điều khiển các thông số tần số, điện áp, tần số sóng mang, chỉnh lưu sẽ điều khiển dòng điên áp cung cấp cho Rotor để điều khiển chính xác tốc độ của động cơ.
Hình 3.26: Điều khiển chế độ vịng lặp kín 3.4 Bộ biến tần động cơ 3.4 Bộ biến tần động cơ
Bộ biến tần động cơ là một thành phần quan trọng trong xe điện, không chỉ về chức năng mà cịn về độ an tồn. Biến tần có bộ truyền động đầu ra ba pha cho động cơ điện, được điều khiển độc lập về moment xoắn và tốc độ. Trong điều kiện phanh hoặc 'dừng', động cơ hoạt động như máy phát điện và cơng suất tạo ra có thể được chuyển trở lại qua biến tần để phanh tái sinh và trả lại năng lượng cho ắc quy cao áp. Chức năng của bộ biến tần động cơ có 2 chức năng cơ bản:
- Động cơ điện yêu cầu đầu vào là nguồn điện xoay chiều AC. Tuy nhiên nguồn điện chính là ắc quy cao áp là nguồn điện một chiều DC. Do đó đầu ra DC của ắc quy cao áp được chuyển đổi thành AC bằng bộ biến tần động cơ. Chức năng của bộ biến tần là thay đổi điện áp đầu vào một chiều thành điện áp đầu ra xoay chiều đối xứng có cường độ và tần số mong muốn.
- Trong khi động cơ sử dụng phanh tái sinh lúc này Stator lại sinh ra dịng điện AC để có đưa về lưu trữ tại ắc quy cao áp cần phải chuyển đổi từ AC sang DC.
83 Thành phần quan trọng này có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng vận hành trên đường, phạm vi lái và độ tin cậy của xe cũng như trọng lượng và kích thước của chúng.
Trước khi tìm hiểu về biến tần chúng ta tìm hiểu về linh kiện không thể thiếu trong biến tần đó là IGBT. Thiết bị này có cổng cách điện hoạt động giống như một công tắc bật và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần.
Hình 3.27:a)Ký hiệu của IGBT, b) Cấu tạo của Mosfet và IGBT
Thơng qua trình tự kích hoạt đóng mở IGBT của biến tần, một điện áp xoay chiều ba pha sẽ được tạo ra bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).
Chức năng như công tắc trạng thái rắn, tốc độ cao để chuyển đổi điện áp DC thành AC để cấp nguồn cho động cơ điện. Vì điện có thể chạy qua IGBT theo cả hai hướng nên IGBT cũng có thể chuyển đổi điện áp xoay chiều được tạo ra trong cuộn dây Stato thành dòng điện một chiều để sạc lại cho ắc quy cao áp.
IGBT là loại van với công suất tuyệt vời. Khác với Thysistor, IGBT cho phép bạn đóng cắt nhanh chóng bằng cách đặt điện áp điều khiển lên hai cực G và E.
Về cấu trúc bán dẫn, IGBT gần giống với MOSFET, điểm khác nhau là nó có thêm lớp nối với Collector tạo nên cấu trúc bán dẫn P-N-P giữa Emiter (tương tự với cực gốc) với Collector (tương tự cực máng), mà khơng là N-N như ở MOSFET. Vì thế có thể
84 coi IGBT tương đương với Transistor P-N-P với dòng Base được điều khiển bằng một MOSFET.
Dưới tác dụng của áp điều khiển Uge > 0, kênh dẫn với những hạt mang điện là những điện tử được hình thành, giống với cấu trúc MOSFET. Các điện tử di chuyển về phía Collector vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa base, Collector ở Transistor thường, và tạo nên dịng Collector.
Hình 3.28:Mơ hình biến tần động cơ
Bộ biến tần động cơ được thiết kế với 6 IGBT với mơ hình thiết như chỉnh lưu trong máy phát điện ở động cơ đốt trong, cùng với đó là 6 Diode được mắc song song với các IGBT có chức năng bảo vệ và hổ trợ các IGBT này, 3 trong số 6 IGBT được mắc với nguồn dương của ắc quy cao áp, còn lại mắc với nguồn âm. Cổng điều khiển của IGBT được kết nối về bộ phận điều khiển việc đóng ngắt các IGBT trong các chế độ động cơ và máy phát.
Tuy nhiên đối với động cơ yêu cầu độ chính xác cao như Renault ZOE thì sẽ trang bị thêm cảm biến vị trí quay của của Rotor khi đó mơ hình biến tần động cơ sẽ có dạng:
85
Hình 3.29:Mơ hình Bộ biến tần động cơ có dùng cảm biến
3.4.1 Chế độ lái (Chế độ động cơ)
Lúc này nguồn dương của ắc quy cao áp đi từ Q1 sang pha U của cuộn dây Stator sau đó đi từ pha W về lại Q4 và về cực âm của ắc quy cao áp, tương tự nguồn dương đi từ Q3 sang pha W của cuộn dây, qua pha V để về Q6 và về cực âm, cuối cùng nguồn dương đi qua Q5 sang pha V của cuộn dây sau đó từ pha U theo Q2 về lại nguồn âm của ắc quy cao áp.
3.4.2 Chế độ phanh tái sinh (Chế độ máy phát)
Trong suốt quá trình phanh tái sinh làm việc lúc này sẽ có dịng điện được tạo ra trong cuộn dây U-V của Stator, dòng điện từ pha V đi qua Q5 về lại cực dương của ắc quy cao áp, trong khi đó dịng từ cực âm của ắc quy cao áp đi qua Q2 về lại pha U của cuộn dây. Sau đó Rotor qua cặp cuộn dây tiếp theo có dịng điện đi qua là W-U, dịng từ pha U qua Q1 về cực dương, dòng từ cực âm đi qua Q4 và về lại pha W của cuộn dây. Tiếp theo đó là cặp cuộn dây V-W, dịng từ pha W qua Q3 về cực dương, dòng từ cực âm đi qua Q6 và về lại pha V của cuộn dây. Tiếp theo đó sẽ lập dại tuần tự cho đến khi hết chế độ phanh tái sinh.
86
3.5 Các phương pháp đảm bảo an toàn khi điều khiển động cơ
3.5.1 Quản lý an toàn về chức năng của hệ thống
Đối với một chiếc xe ơ tơ thì sự an tồn là tránh cho sự gia tăng moment không mong hoặc moment phanh không mong muốn khi lái xe, có thể dẫn đến các chấn thương hoặc chết người, do đó phải có các chức năng an tồn đặc biệt để kiểm sốt hoặc giám sát những trường hợp này. Điều này có nghĩa là bên cạnh sự đảm bảo về tính chính xác về chức năng cũng là sự phân tích các thành phần bên trong của hệ thống đó, cũng như các lỗi phải được xử lý theo cách giúp làm giảm nguy cơ gây nguy hiểm cho người dùng.
Quản lý an tồn chức năng (FSM) mơ tả q trình phân tích vá phát triển của hệ thống/sản phẩm theo dự thảo tiêu chuẩn quốc tế ISO 26262. Tiêu chuẩn này được lấy từ tiêu chuẩn IEC 61508 "An toàn chức năng của điện/điện tử/điện tử có thể lập trình liên quan đến an toàn của hệ thống" để phù hợp với nhu cầu của sự phát triển các hệ thống liên quan đến an tồn của ngành cơng nghiệp ơ tơ.
Phân tích hệ thống tập trung vào các mối nguy và phân loại chúng thành mức độ an tồn ơ tơ (ASIL). ASIL mức độ của một mối nguy hiểm nhất định được xác định bởi ba yếu tố:
- SEVERITY – S: Mô tả mức độ nghiêm trọng trong số các thiệt hại dự kiến.
- EXPOSURE – E: Thể hiện ảnh hưởng trong khoảng thời gian và tần suất rủi ro vẫn tồn tại.
- CONTROL – C: Khả năng của người lái xe trong việc xử lý tình huống và tránh các nguy cơ.
Các cấp độ ASIL được phân loại trong phạm vi từ A đến D (tiềm ẩn rủi ro từ thấp nhất đến cao nhất) bằng cách xử lý thích hợp và đồng thời xác định các mối quan hệ biểu thị mức độ giảm thiểu rủi ro được cung cấp bởi các chức năng an tồn cần thiết.
87
Ví dụ: Về các mối nguy hiểm trong hệ thống truyền động lực kéo ô tô là:
- Moment xoắn dương không mong muốn trong thời gian xe ngừng hoạt động. - Moment xoắn âm không mong muốn khi lái xe.
- Mất moment xoắn dương không mong muốn khi lái xe.
Để thực hiện sự an toàn cần thiết của hệ thống truyền động lực kéo, một số biện pháp về phần mềm, phần cứng và các hệ thống hiện đại. Bên cạnh ứng dụng điều khiển như là một phần của phần mềm chức năng, cần xử lý dự phòng tất cả các giá trị liên quan đến an tồn vì moment xoắn và tốc độ quay là cần thiết. Để kiểm tra chức năng điều khiển chính xác của hệ thống nhúng, vùng bộ nhớ và thiết bị ngoại vi dưới dạng tương tự bộ chuyển đổi kỹ thuật số (ADC) phải được kiểm tra trong thời gian chạy. Sự sai lệch giữa phần mềm chức năng và phần mềm dự phòng cũng như lỗi bộ điều khiển phải dẫn đến ngắt hệ thống thông qua đường dẫn dự phòng và phải được ngắt phải độc lập với đường dẫn chức năng trong phần mềm và phần cứng.
3.5.2 Các phương pháp ngắt của hệ thống
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 khơng 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 dịng điện lúc này khơng an tồn cho việc kiểm soát moment xoắn. Trong những trường hợp này, mục tiêu là đảm bảo rằng khơng 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 dịng điện Stator và Rotor đều khơng chạy và khơng cịn 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 khơng. 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 dịng 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 cơng tắc kích từ được giữ mở như trong trường hợp ngắt tức thời để duy trì trạng thái an tồn khơng có dịng 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.