Động cơ điện

Giới thiệu động cơ điện tích hợp trên bánh xe

Hiện nay, để tiện lợi hơn trong việc bố trí động cơ điện lên xe với tiêu chí nhỏ gọn kết cấu đơn giản, người ta đã tích hợp động cơ điện vào bên trong bánh xe. Cùng với đó hệ thống này sẽ được vận hành dưới dạng điện tử ( Drive-by-wire), tức là không thông qua các kết cấu cơ học như hiện nay. Với hệ thống này, bánh xe sẽ là một cụm vận hành độc lập, motor dẫn

24 động trực tiếp lên bánh xe để giúp xe chuyện động từ đó loại bỏ được tồn bộ hệ thống truyền lực của xe, góp phần làm giảm khối lượng của xe và tăng không gian trống cho xe. Động cơ điện được sử dụng để tích hợp có thể là động cơ điện một chiều hoặc xoay chiều. Loại động cơ này có ưu điểm là nhỏ gọn, dễ dàng bố trí vào xe, cơng suất và dãy tốc độ được thiết kế tương ứng các chế độ vận hành của xe trên đường. Mặt khác động cơ tích hợp trong bánh xe hiện đang được sử dụng rộng rãi và trở thành xu thế trong phát triển xe điện, xe lai.

Động cơ điện BLDC 2.2.2.1 Cấu tạo

Khác với động cơ một chiều truyền thống, động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu chổi than và cổ góp để chuyển mạch dịng điện cấp cho các cuộn dây phần ứng. Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển mạch tĩnh. Để làm được điều đó, phần ứng cũng phải tĩnh. Như vậy, về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ một chiều truyền thống có sự hốn đổi vị trí giữa phần cảm và phần ứng: phần cảm trên roto và phần ứng trên stato. Vì vậy, động cơ BLDC có các cuộn dây phần ứng đặt trên stato (gọi là các cuộn dây stato) còn các nam châm vĩnh cửu được đặt trên roto theo nhiều cách kết cấu khác nhau. Tuỳ thuộc vào số cuộn dây stato ta có các loại động cơ BLDC một pha, hai pha, ba pha tương ứng có một cuộn dây, hai cuộn dây, ba cuộn dây trên stato. Trong đó loại động cơ ba pha được sử dụng phổ biến hơn cả. Trong động cơ một chiều truyền thống, thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây phần ứng được xác định một cách tự nhiên do kết cấu và sự bố trí phù hợp giữa các cặp cực trên stato và cơ cấu chổi than – cổ góp. Động cơ BLDC khơng có cơ cấu chổi than – cổ góp nên cần phải có các phần tử và phương pháp để xác định vị trí của roto nhằm đưa ra các tín hiệu điều khiển trình tự cấp điện cho các cuộn dây pha phù hợp.

25 Một động cơ gồm có 3 phần chính:

 Stato: Stato của động cơ BLDC gồm các lá thép mỏng được xếp chặt cùng với các cuộn dây được đặt trong các khe dọc theo mặt bên trong của stato. Kết cấu như vậy trông giống như trong động cơ không đồng bộ.Tuy nhiên, khác với động cơ không đồng bộ, các cuộn dây trên stato của động cơ BLDC được phân bố với mật độ đều nhau dọc theo mặt trong của stato.

 Roto: Về cơ bản khơng có gì khác so với động cơ nam châm vĩnh cửu khác. Roto của động cơ BLDC gồm có phần lõi bằng thép và các nam châm vĩnh cửu được gắn trên đó theo các cách khác nhau. Về cơ bản có hai phương pháp gắn các nam châm vĩnh cửu trên lõi roto.

- Roto có nam châm gắn trên bề mặt lõi.

Hình 2.7 Roto có nam châm gắn trên bề mặt lõi - Roto có nam châm ẩn bên trong lõi. - Roto có nam châm ẩn bên trong lõi.

Hình 2.8 Roto có nam châm ẩn bên trong lõi

 Hall sensor ( cảm biến vị trí của roto): do đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thơng thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator. Để làm được điều đó người ta dùng cảm biến hiệu ứng Hall.

26

2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động

Điều khiển động cơ BLDC bằng cách chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha theo một thứ tự và vào những thời điểm nhất định.

Momen quay được tạo ra là do sự tương tác giữa hai từ trường: từ trường do nam châm roto tạo ra và từ trường tổng do dòng điện trong các cuộn dây pha tạo ra. Xu hướng của roto là quay đến vị trí sao cho hai vectơ từ trường tổng trùng nhau. Momen quay đạt giá trị lớn nhất là khi hai từ trường vng góc với nhau.

Trong q trình hoạt động, tại một thời điểm chỉ có hai cuộn dây pha được cấp điện, cuộn dây thứ ba khơng được cấp điện, và việc chuyển mạch dịng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây khác sẽ tạo ra từ trường quay và làm cho roto quay theo. Như vậy, thứ tự chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha phải căn cứ vào chiều quay của roto.

Thời điểm chuyển mạch dòng điện từ pha này sang pha khác được xác định sao cho momen đạt giá trị lớn nhất và đập mạch momen do q trình chuyển mạch dịng điện là nhỏ nhất.

Ta có momen được xác định bằng biểu thức:

Te =ea. ia + eb. ib + ec. ic ωm

Trong đó:

 ea,eb,ec: sức điện động cảm ứng của pha A, B, C (V).

 ia, ib,ic: dòng điện các pha A, B, C (A).

 ωm: vận tốc góc của trục Rotor (rad/s) .

Để đạt được momen lớn nhất, ta mong muốn cấp điện cho cuộn dây vào thời điểm sao cho dòng điện trùng pha với sức điện động cảm ứng và dòng điện cũng được điều chỉnh để đạt biên độ khơng đổi trong khoảng có độ rộng 1200 điện. Nếu không trùng pha với sức điện động thì dịng điện cũng sẽ có giá trị lớn và gây thêm tổn hao trên stato.

27 Hình 2.9 Thời điểm cấp điện cho các cuộn dây

2.2.2.3 Đặc điểm của động cơ điện

Động cơ điện một chiều khơng chổi than có các ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.

 Tỷ lệ momen/qn tính lớn.

 Tỷ lệ cơng suất/khối lượng cao.

 Vận hành nhẹ nhàng thậm chí ở tốc độ thấp.

 Có thể tăng tốc trong thời gian ngắn.

 Hiệu suất cao, kết cấu nhỏ gọn, vận hành êm ái ở tốc độ cao.

Tuy nhiên, do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo giá thành cao. Nếu dùng các loại nam châm sắt từ thì khả năng kích từ khơng cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm giảm khi nhiệt độ tăng.

2.3 Ắc quy

Ắc quy trong hệ thống điện thực hiện chức năng của một thiết bị chuyển đổi hóa năng thành điện năng và ngược lại.

2.3.1 Công dụng

Đối với xe điện ắc quy sẽ là nơi lưu trữ và cung cấp toàn bộ năng lượng điện cho động cơ và các thiết bị điện trên xe hoạt động.

Đối với ô tơ ắc quy cịn cung cấp điện cho các tải điện quan trọng khác trong hệ thống điện, cung cấp từng phần hoặc toàn bộ trong trường hợp động cơ chưa làm việc hoặc đã làm việc mà máy phát điện chưa phát đủ công suất (động cơ đang làm việc ở chế độ số vòng quay thấp): cung cấp điện cho đèn đậu (parking lights), radio cassette, CD, các bộ nhớ (đồng hồ,

28 hộp điều khiển…), hệ thống báo động… Ngồi ra, ắc quy cịn đóng vai trị bộ lọc và ổn định điện thế trong hệ thống điện ô tô khi điện áp máy phát dao động.

2.3.2 Cấu tạo

Một bình ắc quy trên ơ tơ bao gồm một dung dịch acid sunfuric loãng và các bản cực âm, dương. Khi các bản cực được làm từ chì hoặc vật liệu có nguồn gốc từ chì thì nó được gọi là ắc quy chì-acid. Một bình ắc quy được chia thành nhiều ngăn (ắc quy trên ơ tơ thường có 6 ngăn), mỗi một ngăn có nhiều bản cực, tất cả được nhúng trong dung dịch điện phân.

Hình 2.10 Cấu tạo của ắc quy

“Cơ sở cho hoạt động của ắc quy là các ngăn của ắc quy. Các bản cực âm và bản cực dương được nối riêng rẽ với nhau. Các nhóm bản cực âm và bản cực dương này được đặt xen kẽ với nhau và ngăn cách bằng các tấm ngăn có lỗ thơng nhỏ. Kết hợp với nhau, các bản cực và tấm ngăn tạo nên một ngăn của ắc quy. Việc kết nối bản cực theo cách này tăng bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu hoạt tính và chất điện phân. Điều đó cho phép cung cấp một lượng điện nhiều hơn. Mặt khác dung lượng của bình ắc quy tăng lên vì diện tích bề mặt tăng lên. Càng nhiều diện tích bề mặt đồng nghĩa với việc ắc quy cung cấp điện nhiều hơn.”[3]

29

 Bản cực ắc quy: được cấu trúc từ một khung sườn làm bằng hợp kim chì có chứa Antimony hay Canxi. Khung sườn này là một lưới phẳng, mỏng. Lưới tạo nên khung cần thiết để dán vật liệu hoạt tính lên nó, cả ở bản cực âm và bản cực dương. Vật liệu hoạt tính được dán lên ở bản cực dương là chì oxide (PbO2) và ở bản cực âm là chì xốp (Pb).

 Chất điện phân: là hỗn hợp 36% acid sulfuric (H2SO4) và 64% nước cất (H2O). Dung dịch điện phân trên ắc quy ngày nay có tỷ trọng là 1.270 (ở 200 C) khi nạp đầy. Tỷ trọng là trọng lượng của một thể tích chất lỏng so sánh với trọng lượng của nước với cùng một thể tích. Tỷ trọng càng cao thì chất lỏng càng đặc.

 Có 3 loại cọc bình ắc quy được sử dụng, loại đỉnh, loại cạnh và loại L. Loại trên đỉnh thông dụng nhất trên ô tô. Loại này có cọc được vát xiêng. Loại cạnh là loại đặc trưng của hãng General Motors, loại L được dùng trên tàu thuỷ.

2.3.3 Quá trình điện hóa trong ắc quy

Trong ắc quy thường xảy ra hai q trình hóa học thuận nghịch đặc trưng là q trình nạp và phóng điện, và được thể hiện dưới dạng phương trình sau:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 ⇔ 2PbSO4 + 2H2O

Trong q trình phóng điện, hai bản cực từ PbO2 và Pb biến thành PbSO4. Như vậy khi phóng điện, axit sunfuric bị hấp thụ để tạo thành sunfat chì, cịn nước được tạo ra, do đó, nồng độ dung dịch H2SO4 giảm.

Sự thay đổi nồng độ dung dịch điện phân trong q trình phóng và nạp là một trong những dấu hiệu để xác định mức phóng điện của ắc quy trong sử dụng.

2.3.4 Hiện tượng tự phóng điện

Tự phóng điện là hiện tượng giảm điện áp tự nhiên, trọng lượng riêng và năng lượng điện sau một khoảng thời gian nhất định mà khơng có sự tác động của một mạch điện bên ngồi.

Tự phóng điện là một phản ứng hóa học, giống như phóng điện kín, và có xu hướng xảy ra nhanh hơn ở nhiệt độ cao. Lưu trữ pin ở nhiệt độ thấp hơn do đó làm giảm tốc độ tự xả và bảo toàn năng lượng ban đầu được lưu trữ trong pin. Tự phóng điện cũng được cho là giảm khi lớp thụ động phát triển trên các điện cực theo thời gian.

30 Có 3 phương pháp nạp ắc quy:

 Nạp với dịng điện khơng đổi: Phương pháp nạp điện với dịng nạp khơng đổi cho phép chọn dịng điện nạp thích hợp với mỗi loại ắc quy, đảm bảo cho ắc quy được nạp no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho các ắc quy mới hoặc nạp sửa chữa cho các ắc quy bị sunfat hoá. Với phương pháp này, các ắc quy được mắc nối tiếp nhau và thỏa mãn điều kiện:

Un ≥ 2,7 Naq Trong đó :

 Un : điện áp nạp

 Naq : số ngăn ắc quy đơn mắc trong mạch nạp

Tuy nhiên, trong quá trình nạp, sức điện động của ắc quy tăng dần, để duy trì dịng điện nạp khơng đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R để thay đổi dòng nạp.

 Nạp với điện áp không đổi: Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi yêu cầu các ắc quy được mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp khơng đổi và được tính bằng ( 2,3 ÷2,5 )V cho một ngăn ắc quy đơn. Đây là phương pháp nạp điện cho ắc quy lắp trên ôtô. Phương pháp nạp với điện áp nạp khơng đổi có thời gian nạp ngắn, dịng điện nạp tự động giảm theo thời gian. Tuy nhiên, phương pháp này ắc quy không được nạp no, vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho ắc quy trong quá trình sử dụng.

 Phương pháp nạp dòng áp: Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Với phương pháp này nó tận dụng được những ưu điểm của mỗi phương pháp. (ắc quy nạp bằng bao nhiêu phương pháp).

2.4 Bộ điều khiển sạc pin mặt trời

Bộ điều khiển sạc pin mặt trời điều chỉnh năng lượng điện chạy từ các tấm pin mặt trời và truyền trực tiếp vào pin lưu trữ.

Bộ điều khiểu sạc ắc quy từ pin mặt trời phải thỏa các yêu cầu:

 Điện thế vào phú hợp điện thế của pin, điện thế ra tương ứng điện thế của ắc quy.

 Nạp theo quy định của nhà sản xuất ắc quy.

31

 Khi dòng từ pin thấp, bộ điều khiển sạc làm nhiệm vụ nâng dòng để nạp vào ắc quy.

 Khi dòng từ pin cao, bộ điểu khiển sạc làm nhiệm vụ hạ dòng để bảo vệ ắc quy.

 Ngăn dòng điện chạy ngược từ ắc quy về pin khi dịng từ pin mặt trời thấp.

 Khơng cho nạp quá ( có thể phá hỏng ắc quy).

 Không nạp thiếu ( làm giảm tuổi thọ ắc quy).

Hình 2.12 Bộ điều khiển sạc và hệ thống nối dây

 Vị trí 1 nối với đầu dương tấm pin mặt trời.

 Vị trí 2 nối với đầu âm tấm pin mặt trời.

 Vị trí 3 nối với nguồn dương của ắc quy.

 Vị trí 4 nối với nguồn âm của ắc quy.

 Vị trí 5 nối với đầu dương của tải.

 Vị trí 6 nối với đầu âm của tải.

2.5 Mạch tăng áp 10A 600W

Vì xe sử dụng nguồn điện 60V mà bộ điều khiển sạc pin mặt trời chỉ ra tối đa 50V. Nên cần qua mạch tăng áp để sạc cho ắc quy trên xe.

32 Đỏ Đen Vàng Nguồn vào 36 – 75V Âm chung Nguồn ra 12V Bảng 2.1 Thông số của mạch tăng áp

Điện áp đầu vào DC 11 – 60V

Dòng vào 15A (Max)

Điện áp đầu ra DC 12 – 80V (có thể chỉnh được ở núm vặn Output voltage regulation)

Dòng ra 10A (Max, , có thể chỉnh được ở núm vặn Output current adjustment)

Hiệu suất 95%

Kích thước 85x62x60 mm

2.6 Bộ đổi điện

Hệ thống điện của xe sử dụng loại 12V, trong khi nguồn cung cấp từ ắc quy là 60V nên phải sử dụng bộ chuyển đổi điện áp từ 60V thành 12V. Yêu cầu của bộ đổi điện là cung cấp đủ dòng điện ra cho tồn bộ hệ thống bóng đèn và bảo vệ khi có sự cố ngắn mạch.

Hình 2.14 Sơ đồ các dây bộ chuyển đổi nguồn Dòng tải cung cấp cho bộ đổi điện là 20A. Bộ đổi điện có 3 dây: Dịng tải cung cấp cho bộ đổi điện là 20A. Bộ đổi điện có 3 dây:

 Dây nguồn vào từ 36 đến 75V.

 Dây nguồn âm chung.

 Dây ra là 12V.

BỢ CHỦN ĐỞI NG̀N

33 Hình 2.15 Bộ đổi nguồn

2.7 Bộ điều khiển động cơ

Là trung tâm điều khiển động cơ của xe bao gồm các chức năng cung cấp nguồn cho động cơ hoạt động, nhận tín hiệu từ tay ga để điều khiển tốc độ động cơ, nhận tín hiệu cảm biến vị trí pha từ bộ cảm biến của động cơ, nhận cảm biến từ phanh để dừng động cơ, báo tốc độ xe. Yêu cầu của bộ điều khiển là điều khiển tốc độ quay của động cơ, bảo vệ khi thiếu áp, hạn chế dòng hoặc chức năng bảo vệ q dịng. Cơng suất của bộ điều khiển được thiết kế