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 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 dịng 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.
Heat Class [class] V A E B F H N R -
Wireline allowable temperature [0C] 90 105 120 130 155 190 200 220 250 Case surface temperature indication [0C] 60 75 90 100 125 150 170 190 220
91
3.6.2 Nguyên nhân quá nhiệt ở động cơ điện
Quá tải là một thủ phạm phổ biến trong các vấn đề về nhiệt độ. Do sự thay đổi tải trong thiết bị dẫn động, tải này đã vượt quá tải mà nhà thiết kế đã chọn để động cơ hoạt động trên mức tải định mức. Tình trạng này đơi khi khơng liên tục, mà xảy ra vào những thời điểm khác nhau.
Ngoài ra, dưới đây là các ví dụ về nguyên nhân gây ra nhiệt độ cao của động cơ: - Nhiệt độ môi trường cao.
- Trục động cơ bị ma sát. - Điện áp cao.
- Điện áp sụt lớn.
- Dung lượng tụ lớn hơn định mức. - Khởi động và dừng thường xuyên.
Thay đổi các điều kiện, chẳng hạn như giảm nhiệt độ xung quanh, có thể làm giảm nhiệt độ gia tăng.
Nhiệt độ hoạt động: Một động cơ thực hiện một lượng công việc nhất định sẽ tạo ra một mức tăng nhiệt độ được gọi là nhiệt độ gia tăng. Điều này, cộng với nhiệt độ môi trường, bằng với nhiệt độ hoạt động của động cơ:
Nhiệt độ gia tăng + Nhiệt độ môi trường = Nhiệt độ hoạt động
3.6.3 Quản lý nhiệt cho động cơ điện xoay chiều
Quản lý nhiệt của động cơ là một thách thức vơ cùng phức tạp, vì có nhiều đường truyền nhiệt bên trong động cơ, nhiều loại vật liệu và bề mặt nhiệt phải đi qua để loại bỏ. Nhiệt được tạo ra bởi động cơ điện được phân phối khắp các bộ phận bên trong động cơ điện.
92
Ví dụ: Nhiệt được tạo ra do tổn thất nhiệt bên trong cuộn dây Stator, lớp phủ
Rotor và dây dẫn. Sự phân bố nhiệt sinh ra trong các bộ phận, phụ thuộc vào loại động cơ điện và điều kiện hoạt động của động cơ đó.
Hình 3.32: Ảnh hưởng của quản lý nhiệt đến hiệu suất của động cơ điện
Đối lưu nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động của chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau hoặc sự truyền nhiệt từ một hệ rắn sang một hệ lỏng (hoặc khí) và ngược lại. Renault ZOE đã sử dụng kết hợp giữa làm mát bằng khơng khí và làm mát bằng chất lỏng để quản lý nhiệt cho động cơ EESM.
Làm mát bằng khơng khí
Lượng khơng khí mà quạt cung cấp thay đổi theo đường kính hình khối và tỷ lệ thuận với tốc độ. Trong động cơ làm mát bằng quạt hồn tồn kín, quạt thường là nguồn chính gây ra tiếng ồn khó chịu. Cho nên phải đảm bảo cung cấp đủ khơng khí làm mát mà không tạo ra quá nhiều tiếng ồn.
Làm mát bằng khơng khí cho động cơ EESM Renault ZOE sử dụng quạt tản nhiệt được trang bị phía bên trên của động cơ, lúc này luồng khơng khí được thổi qua ống dẫn
93 khí làm mát, sau đó làm mát cho bề mặt bên ngồi động cơ và được đưa ra mơi trường bên ngồi qua các khe hỡ của vỏ động cơ.
Hình 3.33:Ống thốt khí phía sau của động cơ Renault ZOE
Ngồi ra các động cơ khác, các ống dẫn khí cịn có thể phân phối khơng khí đến lõi Rotor và Stator để cải thiện hiệu quả làm mát. Bộ làm lệch hướng có thể được sử dụng trong các động cơ hở hoặc kín để hướng khơng khí đến các vị trí cần nó và giảm nhiễu loạn khơng khí.
94 Khi khơng khí chảy rối sẽ làm giảm hiệu quả tản nhiệt, vì vậy vị trí của các bộ làm lệch hướng có thể rất quan trọng để tối ưu hóa mạch làm mát. Các ống dẫn bị tắc hoặc bộ làm lệch khơng khí bị thiếu hoặc khơng chính xác có thể làm cho động cơ chạy nóng hơn.
Làm mát bằng chất lỏng
Hệ thống làm mát động cơ điện bằng chất lỏng là hệ thống giải nhiệt cho động cơ được ứng dụng nhiều nhất hiện nay. Tùy thuộc vào nhà sản xuất mà có thể chọn dầu hoặc nước tuy nhiên nước được sử dụng nhiều hơn. Renault ZOE đã chọn hệ thống làm mát bằng áo nước.
Việc làm mát thông qua vỏ bọc (áo nước) là hệ thống làm mát cưỡng bức phổ biến nhất. Đây là nơi chất lỏng chảy qua các đường dẫn làm mát nằm trong khung dẫn nhiệt phía trên ngăn xếp Stator. Nhiệt lượng tạo ra trong các cuộn dây, cũng như trong các lớp phủ Stator và Rotor, ban đầu là được chuyển đến vỏ làm mát thơng qua dẫn điện, và sau đó được chuyển ra môi trường xung quanh qua sự đối lưu trong chất lỏng làm mát. Hiệu quả của làm mát chất lỏng kỹ thuật phụ thuộc nhiều vào độ hở hình học và kết quả là điện trở nhiệt giữa Stator nhiều lớp lõi và vỏ được làm mát.
Hình 3.35:Làm mát Motor bằng áo nước
Bộ trao đổi nhiệt dựa trên chất lỏng có hiệu quả hơn trong việc loại bỏ nhiệt so với làm mát bằng khơng khí, vì vậy động cơ có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn. Lợi ích này
95 đi kèm với chi phí tăng thêm trọng lượng và độ phức tạp, do đó động cơ nhỏ hơn có xu hướng sử dụng làm mát bằng khơng khí. Làm mát bằng chất lỏng phổ biến hơn làm mát bằng khơng khí trong các ứng dụng RPM cao, moment xoắn thấp.
3.6.4 Hệ thống làm mát điện tử công suất
Làm mát cho hệ thống điện tử công suất để đảm bảo hệ thống không bị quá nhiệt nhằm tăng tuổi thọ và hiệu suất làm việc của hệ thống.
Module biến tần (IGBT) là trung tâm của bộ biến tần công suất xe điện. IGBT điều khiển nguồn điện được cung cấp cho động cơ bằng cách bật và tắt điện áp của ắc quy cao áp ở tốc độ cao và chúng chiếm phần lớn chi phí tạo nên biến tần. IGBT tạo ra rất nhiều nhiệt trong quá trình chuyển đổi và bắt buộc phải giữ cho chúng mát trong suốt quá trình làm việc. Điển hình cho điều khiển nhiệt IGBT là làm mát bằng chất lỏng, hiện