48
Chương 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRÊN RENAULT ZOE 3.1 Giới thiệu và phân loại động cơ điện
Yếu tố cốt lõi của xe điện, ngoài ắc quy cao áp, thay thế cho động cơ đốt trong là một động cơ điện. Động cơ điện được xem là trái tim của xe điện, sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực điện tử cơng suất và kỹ thuật điều khiển đã tạo ra tương lai cho các loại động cơ điện được sử dụng trong xe điện.
So với các động cơ đốt trong, động cơ điện nên được điều chỉnh cho các môi trường hoạt động khắc nghiệt. Chế độ hoạt động của chúng thường xuyên được chuyển đổi giữa động cơ và máy phát điện (phanh tái sinh). Khởi động và dừng xe thường xuyên, tăng/giảm tốc độ liên tục, moment xoắn cao ở tốc độ thấp và công suất cao khi xe ở tốc độ cao. Thêm vào đó là mật độ cơng suất cao, khu vực hoạt động có hiệu quả cao, độ rung và tiếng ồn thấp, độ tin cậy cao và hiệu suất cao đã đáp ứng được những yêu cầu bởi ngành công nghiệp ô tô. Động cơ điện và bộ điều khiển điện tử công suất của động cơ là những bộ phận cốt lõi để chuyển đổi năng lượng cơ điện trong xe điện.
Hệ thống truyền lực điện tích hợp các bánh răng, ly hợp và các thành phần cơ khí khác với động cơ điện và bộ điều khiển động cơ cũng là một phần hệ thống không thể thiếu của xe điện. Cấu trúc của động cơ điện được đơn giản hóa đáng kể trong hệ thống truyền lực điện tử và cấu trúc này cũng phải tính đến hiệu suất của xe điện.
Do đó, các yêu cầu đối với hệ thống truyền động điện trong xe điện chủ yếu bao gồm các khía cạnh sau:
- Mật độ moment xoắn cao và khả năng kiểm soát moment xoắn tốt đối với hiệu suất động lực học của xe.
- Độ tin cậy và độ bền đối với sự an toàn và tuổi thọ là phương diện cần thiết. - Hiệu quả cao trong phạm vi hoạt động.
Động cơ điện có thể được chia thành hai loại: Động cơ DC và AC. Cả hai loại đều có thể được sử dụng trong các ứng dụng xe điện.
49 Động cơ DC mạnh mẽ và cho phép điều khiển đơn giản. Chúng có thể được chế tạo như động cơ DC có chổi than và khơng chổi than. Động cơ DC có chổi than là một cơng nghệ hoàn thiện cung cấp chi phí thấp, moment xoắn cao ở tốc độ thấp và điều khiển tốc độ dễ dàng. Những tính năng này rất quan trọng đối với động cơ kéo. Tuy nhiên, động cơ DC có chổi than không được sử dụng rộng rãi trong xe điện vì những nhược điểm của chúng, bao gồm kích thước lớn, hiệu suất thấp và yêu cầu bảo trì thường xuyên do cấu trúc chổi than và bộ cổ góp. Động cơ DC khơng chổi than có hiệu suất cao hơn nhiều. Những động cơ này sử dụng một cổ góp / biến tần điện tử thay vì chổi than.
So với động cơ DC, ưu điểm của động cơ AC là hiệu suất cao, ít bảo trì hơn, độ tin cậy cao hơn và khả năng tái sinh cho phép hoàn trả năng lượng từ phanh cho ắc quy.
Hiệu suất của động cơ và các thiết bị điện tử của xe điện ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng của ắc quy, vì điện năng đã mất cần được bù đắp. Cứ mỗi 1% hiệu suất thấp hơn thì cần thêm 1% năng lượng từ ắc quy (có nghĩa là nhiều ắc quy hơn).
50 Hiệu suất của xe điện phụ thuộc trực tiếp vào các thông số kỹ thuật của động cơ điện. Hiệu suất của động cơ được xác định bởi đặc tính tốc độ moment và tốc độ công suất của động cơ đó
Khả năng tăng tốc và tốc độ tối đa là các thông số quan trọng trong các đường cong này. Khả năng tăng tốc của động cơ mong muốn yêu cầu moment xoắn cao ở tốc độ thấp, cho phép khởi động và tăng tốc thích hợp. Động cơ điện cần có cơng suất cao ở tốc độ cao và dải tốc độ rộng trong vùng cơng suất khơng đổi như trong (Hình 3.1).
Vùng vận hành moment xoắn khơng đổi rất quan trọng ở tốc độ thấp để khởi động tốt và lái xe lên dốc. Vùng công suất không đổi xác định tốc độ xe điện tối đa trên bề mặt phẳng. Khi đạt được tốc độ cơ bản, động cơ đạt đến giới hạn công suất định mức và moment động cơ giảm tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ. Vùng cơng suất khơng đổi bắt đầu vượt quá tốc độ cơ bản trong phạm vi từ tốc độ cơ bản lên đến tốc độ động cơ tối đa.
Phạm vi này khác nhau ở các loại động cơ khác nhau và nó là một thơng số quan trọng khi chọn loại động cơ EV thích hợp. Ngồi ra, phạm vi hoạt động của động cơ có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng các biến tần điều khiển tương ứng.
Lựa chọn đặc tính đầu ra thích hợp của động cơ EV là một thách thức vì cần phải tìm ra sự cân bằng giữa hiệu suất tăng tốc và dải tốc độ rộng trong vùng công suất không đổi. Khi tăng vùng công suất không đổi, yêu cầu công suất cho hiệu suất tăng tốc giảm. Yêu cầu moment xoắn tăng lên ảnh hưởng đến kích thước động cơ và giá cả cuối cùng.
Các loại động cơ thường được sử dụng trong các ứng dụng xe điện: 1. Động cơ DC.
2. Động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu (PM BLDC). 3. Động cơ cảm ứng (IM).
4. Động cơ nam châm vĩnh cửu (PMSM) 5. Động cơ điện trở chuyển mạch (SRM).
51
Bảng 3.1: Các loại động cơ trên các mẫu xe điện
Vehicle Motor type Rotor material Max Speed [rpm]
Audi e-Tron Induction Motor Al cage 10000
BMW i3 PM Motor Permanent magnets 11400
Chevrolet Volt PM Motor Permanent magnets 8900 Hyundai e-Kona PM Motor Permanent magnets 11000
Jaguar I-Pace PM Motor Ferrite/Permanent magnets
13000
Mercedes EQC PM Motor Permanent magnets 10000
Nissan Leaf PM Motor Permanent magnets 10500
Renault ZOE EESM Motor Electromagnet 11300
Tesla Induction Motor Cu cage 16000
Động cơ cảm ứng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp xe điện. Stator và Rotor của chúng được cấu tạo từ các tấm thép silicon nhiều lớp, và các cuộn dây ba pha được đưa vào bên trong ngăn xếp lớp Stator và các thanh nhôm hoặc đồng trong các khe Rotor có các vịng ở cả hai đầu. IM được đặc trưng là có cấu trúc đơn giản và mạnh mẽ, chi phí thấp, độ tin cậy cao, gợn moment xoắn nhỏ, tiếng ồn thấp và khơng cần bảo trì. IM có thể dễ dàng chạy ở tốc độ cao trên 15.000 vịng/phút với dải cơng suất khơng đổi rộng. Tuy nhiên, mạch điều khiển IM rất phức tạp, hiệu suất và mật độ công suất của chúng tương đối thấp so với PMSM, dẫn đến thị phần ngày càng thấp trên toàn cầu.
Được sử dụng đặc biệt trong ngành cơng nghiệp ơ tơ, động cơ điện đồng bộ có thể sử dụng hai công nghệ khác nhau:
- Rotor nam châm vĩnh cửu. - Rotor nam châm điện.
52 Đầu tiên cái gọi là nam châm "vĩnh cửu" đặt trong Rotor. Các cuộn dây trong Stator kích hoạt độ nhạy của nó với lực từ, tạo ra chuyển động quay và đó là lực kéo của xe. Cơng nghệ này có ưu điểm là mật độ công suất ở mức nhất định và hiệu quả năng lượng tuyệt vời ở tốc độ thấp. Đây là lý do tại sao nó được sử dụng trong các loại xe đô thị hạng nhẹ như Dacia Spring hoặc làm động cơ điện trong các động cơ hybrid E-Tech và E-Tech Plug-in của Renault.
Trong xe có Rotor dạng nam châm điện, một cuộn dây đồng thay thế cho nam châm vĩnh cửu được đặt vào bên trong Rotor. Động cơ này cũng tạo ra hiệu suất năng lượng rất cao với tốc độ cao trên 100 km/giờ, tăng khả năng di chuyển lên vài chục km. Cơng nghệ này có thể được tìm thấy trong động cơ của Renault ZOE và Twingo Electric.
Các đặc tính vật lý của động cơ không đồng bộ (IM) là lý do tại sao nó có hiệu suất năng lượng thấp hơn một chút so với động cơ đồng bộ. “Slip-Trượt” mô tả khoảng cách về tốc độ giữa Rotor và Stator, giải thích sự khác biệt giữa hai động cơ. Do đó, động cơ IM cung cấp hiệu suất năng lượng từ 75-80%, so với 90% của động cơ “đồng bộ”. Tuy nhiên ưu điểm khác là kích thước của nó nhỏ gọn, trọng lượng thấp của động cơ IM.
3.1.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)
Trong PMSM, Stator của nó với cuộn dây ba pha giống hoặc tương tự với IM hoặc Stator động cơ đồng bộ. Rotor được làm bằng nam châm vĩnh cửu. Các PMSM được thiết kế tốt được đặc trưng bởi moment xoắn miễn cưỡng cao, hiệu suất cao, hệ số công suất cao, nhiệt thấp, cấu trúc đơn giản, nhỏ gọn và tiếng ồn thấp. Với sự phát triển của chiến lược điều khiển điện tử công suất, PMSM đã trở nên thống trị trong các ứng dụng động cơ điện. Ngoài ra, do cấu trúc hồn tồn khép kín, PMSM khơng cần bảo dưỡng, ngoài ra những tổn thất ma sát do gió thấp và tiếng ồn do gió thấp.
3.1.2 Động cơ đồng bộ kích từ bằng điện (EESM)
Đối với Renault ZOE 2020 được trang bị động cơ xoay chiều EESM tạm gọi động cơ đồng bộ kích từ bằng điện, là loại động cơ trang bị Rotor nam châm điện, nó khơng
53 chứa nam châm vĩnh cửu do đó khơng như động cơ xe Nissan Leaf và không giống như các loại xe hybrid thế hệ đầu tiên.
Bằng cách thêm các cuộn dây kích từ vào động cơ PMSM, động cơ có cả sự đồng bộ của PMSM và cuộn dây kích từ đã trở thành một động cơ kích từ bằng điện. Động cơ này có mật độ từ thơng cao trong khe hở khơng khí, mật độ cơng suất cao, đặc tính tốc độ moment xoắn tốt.
Hình 3.2: Đặc điểm hiệu suất của các loại động cơ điện
Bảng 3.2: So sánh hiệu suất của các loại động cơ
PMSM ASM EESM
N < Ns Hiệu suất cao Hiệu suất không cao Hiệu suất tốt N > Ns Hiệu suất kém Hiệu suất cao Hiệu suất cao
Chi phí Chi phí cao Chi phí thấp Chi phí thấp hơn PMSM Độ bền Ít bảo dưỡng Ít bảo dưỡng Có sử dụng chổi than
Trong xe điện, việc sử dụng hệ thống lực kéo dựa trên truyền động EESM đã được đề xuất trong những năm gần đây hơn. Các bộ truyền động dựa trên động cơ có thể tạo ra moment xoắn cao ở tốc độ thấp bằng cách làm quá tải cả cuộn dây Stator và cuộn dây kích từ Rotor. Bằng cách này, dòng điện Stator được giữ ở các giá trị chấp nhận được, tránh quá tải cho bộ chuyển đổi điện tử công suất. Hơn nữa, khả năng điều chỉnh dòng
54 điện kích từ cho phép vận hành máy ở cơng suất không đổi cho đến tốc độ không giới hạn về mặt lý thuyết. Hai tính năng này rất phù hợp với các yêu cầu của sức kéo xe điện.
3.2 Động cơ điện trên xe Renault ZOE
3.2.1 Thông số kỹ thuật
Từ năm 2018 Renault ZOE đã bắt đầu chế tạo động cơ điện hoàn toàn mới. Động cơ R110 có nguồn gốc từ động cơ R90, giống hệt nhau về cả kích thước và trọng lượng, nhưng cung cấp công suất tăng lên tới 80 kW.
Việc tăng thêm công suất so với R90 là do sự kết hợp của các cải tiến liên quan đến cấu tạo động cơ điện và các thiết bị điện tử, nhưng lại không thêm bất kỳ chi tiết mới nào khác. Động cơ mới có thể cung cấp cơng suất tốt ở mức tốc độ thấp tương tự như R90, nhờ moment xoắn cao 225 Nm và thậm chí cịn có thể giảm thời gian tăng tốc từ 80 đến 120 km / h của ZOE trong khoảng 2 giây.
Bộ phận chế tạo động cơ điện của Renault đã phát triển R110 mới chỉ trong hai năm. Sự ra đời của nó làm tăng số lượng biến thể của động cơ Renault lên 5 phiên bản: 44 kW, 57 kW, 60 kW, 68 kW và 80 kW hiện được cung cấp.
Các con số về sức mạnh của R110 có cơng suất 108 mã lực và moment xoắn 225Nm. Điều này có nghĩa là thời gian 0-62mph là 11,4 giây và tốc độ tối đa là 84mph.
55
Bảng 3.3:Thông số kỹ thuật của động cơ R110
Nhà sản xuất Renault
Tên động cơ R110
Loại động cơ điện Động cơ đồng bộ kích từ bằng điện
Vị trí bố trí động cơ Phía trước (FWD)
Cơng suất định mức
(Cơng suất do động cơ điện sinh ra phụ thuộc tỷ lệ vào tốc độ quay của động cơ)
80 Kw (Kilowatts)
107.3 Hp (Mã lực cơ học) 108.8 Ps (Mã lực hệ mét)
Tốc độ tối đa 84 Mph
135 Km/h
Công suất tối đa trong khoảng tốc độ RPM
(Tốc độ quay của động cơ điện đo bằng RPM khi động cơ đạt công suất cực đại)
80Kw (108hp) / 3395-10886 RPM
Moment xoắn 225Nm
22.9Kgm
166.0 ft-lb (foot-pound)
Moment xoắn tối đa trong khoảng tốc độ PRM
(Tốc độ quay của động cơ điện đo bằng RPM khi động cơ đạt moment xoắn cực đại)
225Nm / 500-3395 PRM
Phanh tái sinh Có trang bị
Chế độ lái xe Chế độ Eco – D mode
Chế độ một bàn đạp – B mode
56
3.2.2 Cấu tạo của đông cơ
Động cơ gồm 2 phần chính là phần quay và phần đứng yên. Ắc quy cao áp trong xe điện cung cấp dòng điện cho một bộ phận được gọi là “Stator”, qua đó từ trường quay được tạo ra. Từ trường này dẫn động một nam châm điện nằm trên một trục gọi là “Rotor” sau đó sẽ tự quay làm cho các bánh dẫn động quay.
Hình 3.4: Cấu tạo của động cơ điện Renault ZOE
Bảng 3.4: Tên các bộ phận của động cơ Renault ZOE
1 Rotor position sensor target lock ring 5 Electric traction motor assembly
2 Deflector 6 Electric Traction motor brushes
3 Rotor position sensor target 7 Acces flap to electric traction motor brushes
4 Rotor position sensor 8 Seal between electric traction motor and electric vehicle charger and converter
57
Hình 3.5: Mơ hình cắt cấu tạo của động cơ
3.2.3.1 Stator
Stator là phần đứng yên trong động cơ, được cấp điện 3 pha bao gồm hai bộ phận chính:
Yoke - Đây là khung cố định hình trụ bên ngồi và được làm bằng thép đúc hoặc
gang. Nó là phần bên ngồi bảo vệ phần bên trong của động cơ.
Lõi stato - Làm bằng thép silic. Lõi được dát mỏng để giảm tổn thất dịng xốy và
suy hao do trễ. Stator có các rãnh dọc trục bên trong, trong đó đặt cuộn dây Stator ba pha. Stator được quấn với cuộn dây ba pha với số cực cụ thể bằng số cực của Rotor. Nói chung dây đồng thường được sử dụng cho cuộn dây quấn Stator, dây quấn được nối hình sao. Cuộn dây của mỗi pha phân bố trên một số cực.
Ngoài ra cuộn dây Stator là nơi có nhiều cải tiến nhất về quy trình. Các hoạt động quấn, buộc và ngâm tấm được yêu cầu các nghiên cứu kỹ thuật từ trước và hàng loạt các quy trình phát triển phức tạp. Hàng trăm mét dây đồng được sử dụng trên mỗi cuộn Stator.
58
Hình 3.6: Stator của động cơ
3.2.3.2 Rotor
Động cơ đồng bộ Rotor nam châm điện hay động cơ kích từ bằng điện có 2 loại là: - Loại Rotor cực nổi (Salient – Pole)
- Loại Rotor hình trụ (NonSalient – Pole).
Trong chương này chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu kỹ về đặc điểm của động cơ Rotor loại cực nổi cũng chính là động cơ trang bị trên Renault ZOE và việc kích điện cho Rotor của loại động cơ này.
59 Sự khác biệt giữa cực nổi và cực hình trụ:
Đầu tiên, như đã nói trước đây, động cơ loại Rotor hình trụ có xu hướng quay nhanh, nhưng động cơ dể bị hỏng do ứng suất cơ học cao.
Thứ hai là cực nổi ổn định hơn cực hình trụ. Độ mặn của Rotor cực nổi giúp tăng