24
2.3.3 Hộp điều khiển động cơ
Hình 2.35. Hộp điều khiển động cơ
Hộp điều khiển động cơ gồm cầu chì, cơng tắc tơ điện từ, bộ điều khiển động cơ.
Công tắc tơ điện từ
Cơng tắc tơ điện từ có dạng rơ le sử dụng trong các mạch phải sử dụng nguồn tải điện lớn, cũng như mạch điều khiển tốc độ xe điện ZERO có nguồn tải 200 Ampe. Cơng tắc tơ điện từ được sử dụng trên xe điên như một thiết bị ngắt nguồn trong những trường hợp khẩn cấp.
Cấu tạo bao gồm một cuộn dây điện từ, lò xo, cơng tắc tơ, điên trở và diode. Khi có dịng điện đi qua cuộn dây điện từ tạo ra một lực kéo ngược với lị xo để đóng cơng tắc tơ, và ngược lại khi khơng có dịng điện đi qua, khơng có lực kéo ngược lị xo, cơng tắc ngắt.
25 Diode được nối giữa 2 đầu cuộn dây nhằm ngăn chặn dòng điện cảm ứng ngược chiều được cuộn dây tạo ra khi ngắt công tắc. Điện trở được mắc giữa 2 đầu công tắc nhằm giảm thiểu dịng điện được phóng ra từ các tụ điện của mạch điều khiển khi ngắt công tắc.
Bộ điều khiển động cơ Chức năng
Về cơ bản, bộ điều khiển động cơ có chức chính là điều chỉnh tốc độ và hướng của động cơ điện bằng cách điều khiển điện áp. Ngồi ra, cịn có những chức năng an tồn khác như:
- Cung cấp nguồn điện khởi động, giúp bảo vệ động cơ điện không bị hư hại do mô men lớn do công tắc không được điều khiển
- Chỉ đảo ngược dòng điện khi động cơ điện dừng hẳn
- Bảo vệ bộ điều khiển động cơ, động cơ điện phòng trường hợp lắp đặt sai ở các cực đầu vào và đầu ra hoặc các lỗi ở do đứt dây tín hiệu gửi vào
- Tăng tốc, giảm tốc mượt mà
- Giới hạn tốc độ tối đa dựa vào cảm biến tốc độ, giới hạn dịng điện
Ngun lí hoạt động
Để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện, bộ điều khiển động cơ thực hiện băm phương pháp điều xung PWM.
Hình 2.37. Xung PWM
Đại lượng đặc trưng cho 1 xung PWM bao gồm tần số là số dao động trong một thời gian nhất định và chu kì làm việc là tỉ lệ phần trăm giữa thời gian của mức cao của dao động với chu kỳ của dao động. Dao động được các định từ trạng thái bắt đầu và kết thúc ngay trước khi trang thái bắt đầu được lặp lại.
26 Hình 2.38. Điều xung PWM
Phương pháp điều xung PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổi chu kì làm việc của chuỗi xung vng. Các xung PWM khi biến đổi thì có cùng tần số và khác nhau về chu kì làm việc. Phương pháp điều xung ngoài thay đổi tốc độ động cơ điện, ngoài ra còn dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ điện, tần số điều xung PWM càng cao thì động cơ điện hoạt động càng mượt mà, ổn định. Tần số điều xung thường sử dụng trong điều khiển tốc độ động cơ điện dòng thấp lý tưởng là 20 kHz. Điện áp đầu ra trung bình tỉ lệ với chu kì làm việc. Ví dụ, nếu như điện áp cấp vào là 72V, khi điều xung PWM nếu chu kì làm việc là 50% thì tương ứng với điện áp đầu ra trung bình là 36V.
Hình 2.39. Mạch điều xung PWM bằng MOSFET
MOSFET công suất được sử dụng trong bộ điều khiển động cơ của xe ZERO dùng để điều xung. Động cơ điện sẽ có một đầu vào nối với dương nguồn, đầu ra cuối cùng sẽ
27 nối với âm nguồn thông qua MOSFET A tương ứng như các cơng tắc đóng mở với chức năng để điều xung PWM. Khi MOSFET A mở, dòng điện sẽ đi chiều mũi tên A từ dương nguồn qua động cơ điện qua MOSFET A rồi về âm nguồn. Ngay khi MOSFET A ngắt, các cuộn dây trong động cơ điện sinh ra dòng điện tự cảm khá lớn do dòng điện đột ngột về khơng, dịng diện cảm ứng cần tiếp tục được di chuyển. Lúc đó, MOSFET B mở, dịng điện tự cảm đi từ cực âm của động cơ điện qua MOSFET B thông qua diode tự do bên trong sẽ về lại cực dương của động cơ điện theo chiều mũi tên B, giúp triệt tiêu chúng. Nếu khơng có MOSFET B thì tại cực âm của động cơ điện sẽ xảy ra hiện tượng tích tụ điện lượng, tăng vọt điện áp, xuất hiện tia lửa điện và làm hỏng MOSFET A và dòng điện tự cảm ngược chiều về nguồn dương, gây hư hại cho động cơ điện và bộ điều khiển động cơ điện.
Ngoài ra, khi ngắt MOSFET A đột ngột, khơng gây gián đoạn dịng điện từ động cơ điện mà còn gây gián đoạn lên dòng điện chạy từ cực dương của nguồn. Các dây dẫn từ nguồn và nguồn cũng xuất hiện dòng điện tự cảm gây hiện tượng tăng vọt điện áp. Để giải quyết vấn đề này, ta lắp các tụ điện trong mạch để hấp thụ hầu hết hiện tượng tăng vọt điện áp. Khi MOSFET A dẫn điện lại, dòng điện yêu cầu phải nhanh, các tụ điện sẽ cung cấp thêm dòng điện trong khi dòng điện từ nguồn đang thiết lập lại. Việc lắp số lượng tụ điện phụ thuộc vào cường độ, điện áp dòng điện và độ dài của dây dẫn vì dây dẫn càng dài, độ tự cảm càng lớn.
Hình 2.40. Mạch cầu H cho động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Dựa vào Hình 2.40, mạch cầu H gồm bốn MOSFET công suất. Giả sử theo chiều quay cùng chiều kim đồng hồ của động cơ điện, dòng điện chạy theo chiều của mũi tên A từ dương nguồn đến qua phần tĩnh của động cơ điện rồi qua MOSFET 1, qua phần ứng của động cơ điện rồi qua MOSFET 3 rồi về âm nguồn. Theo chiều quay ngược chiều kim đồng
28 hồ của động cơ điện, dòng điện chạy theo chiều của mũi tên C từ dương nguồn đến qua phần tĩnh của động cơ điện rồi qua MOSFET 2, qua phần ứng của động cơ điện rồi qua MOSFET 4 rồi về âm nguồn.
Trong mạch cầu H, MOSFET 3 và MOSFET 4 có chức năng giống như MOSFET A đùng để điều xung PWM, MOSFET 1 và MOSFET 2 có chức năng đóng ngắt dịng điện tùy vịng chiều quay của động cơ điện và đóng vai trị như MOSFET B để triệt tiêu các dòng điện ngược chiều khi điều xung PWM. Từ đó, khi động cơ điện quay theo chiều kim đồng hồ, MOSFET 1 luôn dẫn điện, MOSFET 2 ngắt điện, MOSFET 4 ngắt điện và MOSFET 3 điều xung PWM. Khi điều xung, khi MOSFET 3 dẫn điện, MOSFET 2 ngắt điện và khi MOSFET 3 ngắt điện thì phần ứng sẽ sinh ra dòng điện tự cảm, dòng điện tự cảm của động cơ điện cần được tiếp tục di chuyển, MOSFET 2 mở, cho dòng điện tự cảm đi qua MOSFET 2 qua MOSFET 1 về lại phần ứng theo chiều mũi tên B, giúp triệt tiêu chúng. Ngược lại tương ứng khi động cơ quay ngược chiều kim đồng, MOSFET 2 luôn mở, MOSFET 4 điều xung PWM, MOSFET 3 luôn ngắt và MOSFET 1 mở ngắt dựa vào MOSFET 2 để triệt tiêu dòng điện ngược chiều tương ứng chiều mũi tên C và D.
Cầu chì
Cầu chì là một phần tử hay thiết bị bảo vệ mạch điện bằng cách làm đứt mạch điện. Cầu chì thực hiện theo nguyên lý tự chảy hoặc uốn cong để tách ra khỏi mạch điện khi cường độ dòng điện trong mạch tăng đột biến. Để làm được điều này, điện trở của chất liệu làm dây cầu chì cần có nhiệt độ nóng chảy, kích thước và thành phần thích hợp. Cầu chì được sử dụng nhằm phòng tránh các hiện tượng quá tải trên đường dây gây cháy, nổ. Do dòng điện điều khiển dưới 400A, nên hộp điều khiển động cơ điện sử dụng loại cầu chì 200A. Cầu chì được mắc nối tiếp dương nguồn với công tắc tơ điện từ.
29
2.3.4. Ắc quy
Cấu tạo
Xe điện ZERO sử dụng 2 nguồn pin 72V và 12V. Nguồn 72V là 6 ắc quy axit-chì 12V mắc nối tiếp, được sử dụng để cấp nguồn điện năng cho động cơ điện. Nguồn 12V là một ắc quy axit-chì 12V, được sử dụng để cấp nguồn điện năng cho hệ thống điều khiển và các phụ tải trên xe như hệ thống đèn, cịi,...
Hình 2.42. Cấu tạo bình ắc quy
Ắc quy chì - axit gồm có các bản cực bằng chì và ơ xít chì ngâm trong dung dịch acid sulfuric. Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp kim chì antimon, có nhồi các hạt hóa chất tích cực có bản chất chì (premium chì). Các hóa chất này khi được nạp đầy là diocid chì ở anod (cực dương), và chì nguyên chất ở cathod (cực âm). Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm. Chiều dài, chiều ngang, bề dày và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ắc quy. Thơng thường, các bản cực âm được đặt ở bên ngồi, do đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn bản cực dương. Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn.
Trong ắc quy thường xảy ra hai q trình hóa học thuận nghịch đặc trưng là quá trình nạp và phóng điện và được thể hiện qua phương trình sau:
𝑃𝑏𝑂2+ 𝑃𝑏 + 2𝐻2𝑆𝑂4⟺ 2𝑃𝑏𝑆𝑂4+ 2𝐻2𝑂
Trị số tỷ trọng của dung dịch axít sulfuric trong bình ắc quy khi được nạp đầy được quy ra ở 25 ºC (77ºF) được cho ở bảng sau:
30 Bảng 2.2. Trị số tỷ trọng của dung dịch Axit Sulfuric trong bình ắc quy khi được nạp đầy được quy ra ở 25 ºC (77ºF)
Loại bình ắc quy Tỷ trọng chất
điện phân Bình ắc quy làm việc ở chế độ tải nặng, thí dụ các xe tải điện cơng
nghiệp lớn. 1,275
Bình ắc quy dùng cho xe ơtơ, phi cơ. 1,260 Bình ắc quy dùng cho tải khơng nặng lắm: thí dụ như chiếu sáng tàu
điện, hoặc khởi động các động cơ lớn… 1,245 Bình ắc quy tĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự phịng 1,215
Dung lượng của bình ắc quy thường được tính bằng Ampe giờ (Ah). Ah đơn giản chỉ là tích số giữa dịng điện phóng với thời gian phóng điện. Dung lượng này thay đổi tuỳ theo nhiều điều kiện như dịng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ trọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng. Các biến đổi của thơng số của bình ắc quy được cho trên các biểu đồ. Dung lượng bình ắc quy mà nhà sản xuất in trên bình thường là tích số của dịng điện phóng khơng đổi tối đa mà ắc quy có thể giải phóng được trong vịng 20h dưới nhiệt độ 68 F° (20 C°), cho tới khi điện áp mỗi một ngăn về tới ngưỡng phóng dưới. Một bình ắc quy dung lượng 100Ah có thể giải phóng dịng điện 5A trong khoảng thời gian 20h dưới nhiệt độ phịng. Tuy nhiên, nếu phóng ở dịng 50A, bình ắc quy này sẽ có cơng suất biểu kiến thấp hơn.
31 Hình 2.44. Đặc tính phóng điện tới Điện thế cuối cùng[5]
Ngun lí hoạt động
Khi sạc điện cho ắc quy, chúng ta cần cấp điện áp sạc lớn hơn điện áp của bình. Ví dụ để sạc bình ắc quy 12V ta cần cấp nguồn sạc có điện áp 13V.
Hình 2.45. Quá trình sạc của ắc quy Phương trình quá trình sạc của ắc quy là Phương trình quá trình sạc của ắc quy là
Ở cực âm: 𝑃𝑏𝑆𝑂4+ 2𝑒− ⇒ 𝑃𝑏 + 𝑆𝑂42−
Ở cực dương: 𝑃𝑏𝑆𝑂4+ 2𝐻2𝑂 ⇒ 𝑃𝑏𝑂2+ 𝑆𝑂42−+ 4𝐻−+ 2𝑒− Phương trình tổng: 2𝑃𝑏𝑆𝑂4+ 2𝐻2𝑂 ⇒ 𝑃𝑏𝑂2+ 𝑃𝑏 + 2𝐻2𝑆𝑂4
Khi ắc quy được nối với nguồn sạc, Axit Sulfuric (H2SO4) bị ion hóa tạo thành các ion dương 2H+ và ion âm SO42-. Các electron trao đổi hydro với cực âm và tạo thành Axit Sulfuric (H2SO4) và chì (Pb). Mặt khác, S042- trao đổi electron với cực dương và trở thành
32 gốc SO4. Gốc SO4 phản ứng với PbSO4 của cực dương và tạo ra PbO2 và H2SO4. Năng lượng được lưu trữ bằng cách tăng trọng lực của H2SO4 và tăng điện thế ở các bản cực.
Có nhiều phương pháp khác nhau để áp dụng cho việc sạc ắc quy chì axit. Mỗi phương pháp có thể được sử dụng cho một loại ắc quy axit chì cụ thể do nhà sản xuất quy định như phương pháp sạc dịng khơng đổi, phương pháp sạc điện áp khơng đổi.
Hình 2.46. Q trình phóng điện của ắc quy Phương trình q trình phóng điện của ắc quy là
Ở cực âm: 𝑃𝑏 + 𝑆𝑂42− ⇒ 𝑃𝑏𝑆𝑂4+ 2𝑒−
Ở cực dương: 𝑃𝑏𝑂2+ 𝑆𝑂42−+ 4𝐻−+ 2𝑒− ⇒ 𝑃𝑏𝑆𝑂4+ 2𝐻2𝑂 Phương trình tổng: 𝑃𝑏𝑂2+ 𝑃𝑏 + 2𝐻2𝑆𝑂4⇒ 2𝑃𝑏𝑆𝑂4+ 2𝐻2𝑂
Dung dịch Axit Sulfuric ở dạng pha loãng giữa nước và Axit Sulfuric với tỷ lệ 3:1. Khi tải được nối hai cực, H2SO4 bị ion hóa tạo thành các ion dương 2H+ và các ion âm S042-. Các ion hydro phản ứng với PbO2 tại cực dương và tạo ra PbO và H2O. PbO lại phản ứng với H2SO4 và tạo ra PbSO4 và H2O. Ở cực âm, các ion S042- trao đổi electron từ Pb, tạo ra gốc SO4 phản ứng với Pb tạo ra PbSO4.
Do sự trao đổi electron từ cực dương sang cực âm, việc cân bằng electron xảy ra trên các bản cực. Các electron sau đó chạy qua tải và ắc quy phóng điện. Trong q trình phóng điện làm giảm nồng độ dung dich H2SO4 và giảm điện thế ở các bản cực.
2.3.5. Phụ tải
Các phụ tải trên xe bao gồm hệ thống đèn và còi. Hệ thống đèn bao gồm cụm đèn đầu, cụm đèn hậu, cụm đèn xi nhan và báo nguy. Tác dụng của hệ thống đèn giúp người
33 lái quan sát dễ dàng khi đi ban đêm, giúp báo hiệu khi muốn chuyển hướng hay đậu xe cho người tham gia giao thơng khác biết.
Hình 2.47. Hệ thống đèn phía trước
Hệ thống đèn và cịi được điều khiển bằng bộ cơng tắc đèn của Toyota và công tắc hành trình để bấm cịi.
Hình 2.48. Hệ thống đèn phía sau
2.3.6. Hộp sạc ắc quy
Chức năng
Hộp sạc ắc quy đóng vai trị quan trọng trong xe điện ZERO với những chức năng sau:
- Hai chế độ sạc 72V cho cụm sáu ắc quy cung cấp năng lượng cho động cơ điện và 12V cho một bình ắc quy cung cấp năng lượng cho hộp tín hiệu, an tồn và phụ tải
- Tự động ngắt điện khi sạc đầy và khi mở chìa khóa để điều khiển xe ZERO
- Tự động phát hiện lỗi khi sạc ắc quy như hiện tượng điện trở cao do bình ắc quy bị hư, sau đó truyền thơng tin về hộp tín hiệu, an tồn để báo cịi cảnh báo
34 Hình 2.49. Bộ sạc ắc quy
Ngun lí hoạt động
Hình 2.50. Sơ đồ bộ sạc ắc quy
Hộp sạc sử dụng bộ sạc một chiều chỉ có thể sạc cho xe ZERO nhưng khơng có khả năng cấp nguồn cho xe khi chạy. Cách sắp xếp bộ sạc một chiều được thể hiện qua Hình 2.56. Dịng điện xoay chiều 220V-50Hz từ ổ cắm qua bộ lọc nhiễu điện từ có tác dụng tạo ra dịng điện ổn định, sau đó đi qua bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện để tạo ra dòng điện một chiều bằng phẳng. Mạch hiệu chỉnh hệ số cơng suất (Power Factor Correction) có chức năng cải thiện hiệu suất điện năng và giảm sự phát sóng hài (một dạng nhiễu khơng mong
35 muốn ảnh hưởng đến chất lượng dòng điện và gây hại đến linh kiện điện tử của thiết bị) trong dòng điện. Tiếp đến điện áp một chiều được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều thông qua bộ biến tần cầu H bằng cách điều xung PWM, nhờ đó điện áp xoay chiều có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số tùy vào bộ điều khiển. Dòng điện qua biến áp cách ly để chuyển thành dịng diện xoay chiều có biên độ thấp hơn ứng với hai điện áp 72V và