Chương 2 : HỆ THỐNG ẮC QUY TRÊN XE RENAULT ZOE
3.3 Các phương pháp điều khiển động cơ
Ngày nay các phương tiện xe HEV và xe điện đã thay thế cho xe ô tô thông thường và động cơ điện có xu hướng thay thế động cơ đốt trong. Động cơ điện đồng bộ kích từ bằng điện là một lựa chọn tốt cho ngành cơng nghiệp ơ tơ vì nó sở hữu nhiều ưu điểm: hiệu quả cao, mật độ năng lượng cao, moment xoắn cao khi khởi động, tuy nhiên độ bền không cao so với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Tuy nhiên chức năng cơ bản của bất kỳ loại động cơ điện nào trong xe ô tô cũng là để kéo xe ở chế độ động cơ hoặc để nạp lại điện năng cho ắc quy cao áp trong chế độ máy phát điện. Điều khiển moment xoắn của động cơ điện trong chế độ động cơ và thu hồi điện năng trong chế độ máy phát điện cho ắc quy cao áp một cách hiệu quả là mục tiêu cho việc điều khiển động cơ điện. Một lựa chọn tốt cho xe điện do nhiều lợi thế là động cơ đồng bộ đồng bộ kích từ bằng điện. Trong chương này, sẽ trình bày hai bộ thuật tốn điều khiển moment xoắn một cách tối ưu cho EESM nhằm mục đích điều khiển moment xoắn tối ưu trong toàn bộ phạm vi hoạt động dựa trên hai phương pháp lấy mẫu (so sánh giữa kết quả thực tế và số liệu tham chiếu đầu vào) và không lấy mẫu.
Giống như một động cơ nam châm vĩnh cửu, động cơ đồng bộ kích từ bằng điện cần điều khiển các dịng điện Stator. Ngồi ra, dịng kích từ của Rotor phải được thiết lập một cách chính xác và hiệu quả. Việc điều khiển moment xoắn của động cơ đồng bộ kích từ bằng điện có các nhiệm vụ chính sau đây:
1. Tạo ra các giá trị tham chiếu dòng điện tối ưu cho cả Stator và Rotor để đáp ứng đầu ra cho các yêu cầu moment xoắn và công suất.
2. Kiểm sốt chính xác và đầy đủ về giá trị tham chiếu đã tạo.
3. Kiểm soát sự nhiễu do các tác động của các hệ thống xung quanh. 4. Đảm bảo hệ thống hoạt động an tồn trong trường hợp có lỗi xảy ra.
80
3.3.1 Điều khiển vô hướng
Điều khiển vơ hướng hay cịn gọi là điều khiển V/F (Volt/Hz) là chế độ điều khiển cơ bản và phổ biến ở tất cả các loại biến tần. Mục đích của chế độ trên là điều khiển tỉ lệ V/F = hằng số để cung cấp cho từ thơng Stator, cịn từ thơng Rotor sẽ được cung cấp qua một hệ thống trung gian khác, do đó sẽ sinh ra độ trể khi điều khiển 2 loại từ thông này.
Trong chế độ này, biến tần điều khiển tần số theo dải 0Hz – Fmax và tương ứng điện áp theo dải 0V – Vmax. Trên thực tế, tỉ lệ giữa tần số và điện áp được chia theo:
- Từ 0Hz đến F khởi động (Hz): Điện áp cấp vào thấp suy ra dòng khởi động thấp dẫn đến động cơ khơng đủ moment để khởi động, vì vậy việc bù điện áp được thực hiện dẫn đến tỉ lệ V/F khơng tuyến tính.
- Từ F khởi động (Hz) đến F định mức (Hz): tỷ lệ V/F tuyến tính vì thế momen động cơ ổn định.
- F hoạt động (Hz) > F định mức (Hz): điện áp bị giới hạn tại điện áp định mức vì tránh sự cố phá vỡ cách điện giữa các dây quấn. Do đó, momen động cơ bị giảm.
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 vịng 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 thơng 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 khơng 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, dòng 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 tồn, việc ngắn tức thời được thực hiện thơng 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