Chương 2 : HỆ THỐNG ẮC QUY TRÊN XE RENAULT ZOE
2.4 Hệ thống quản lý nhiệt ắc quy cao áp Renault ZOE 2020 (BTMS)
2.4.3 So sánh hiệu suất làm mát của khơng khí và chất lỏng
Trong khi quản lý nhiệt là yếu tố quan trọng đối với bất kỳ loại xe điện nào, khơng có sự nhất trí nào về thiết kế tốt nhất. Điều này xuất phát từ thực tế là khơng có sự thống nhất về cách tốt nhất để tạo ra một chiếc xe điện, từ cấu trúc của cell, module, cho đến loại động cơ điện được sử dụng. Các công ty như Tesla sử dụng nhiều cell hình trụ trong các module của họ với mạch làm mát bằng nước-glycol đan xen, BMW sử dụng các cell hình lăng trụ với tấm làm lạnh lớn bên dưới và các công ty như Nissan và Toyota, Renault dành riêng cho việc tiếp tục sử dụng làm mát khơng khí.
Làm mát bằng khơng khí sử dụng nguyên tắc đối lưu để truyền nhiệt ra khỏi ắc quy cao áp. Khi khơng khí chạy trên bề mặt, nó sẽ mang theo nhiệt tỏa ra từ các cell. Làm mát bằng khơng khí đơn giản và dễ dàng, nhưng không hiệu quả lắm và tương đối thô so với làm mát bằng chất lỏng. Làm mát bằng khơng khí được sử dụng trong các phiên bản xe điện trước đó, chẳng hạn như Nissan Leaf. Khi ơ tơ điện hiện đang được sử dụng phổ biến hơn, các vấn đề an toàn đã nảy sinh với các bộ ắc quy hồn tồn được làm mát bằng khơng khí, đặc biệt là ở những vùng khí hậu nóng. Các nhà sản xuất xe hơi khác, chẳng hạn như Tesla, khẳng định rằng làm mát bằng chất lỏng là phương pháp an toàn nhất.
Chất làm mát lỏng có khả năng dẫn nhiệt và nhiệt dung (khả năng lưu trữ nhiệt dưới dạng năng lượng trong các liên kết của nó) cao hơn khơng khí, do đó hoạt động rất hiệu quả và sở hữu những ưu điểm như cấu trúc nhỏ gọn và dễ sắp xếp. Trong số các tùy
47 chọn này, chất làm mát dạng lỏng sẽ mang lại hiệu suất tốt nhất để duy trì bộ ắc quy trong phạm vi nhiệt độ chính xác và đồng nhất. Hệ thống làm mát bằng chất lỏng có những chia sẻ về các vấn đề an tồn liên quan đến rị rỉ và thải bỏ, vì glycol có thể gây nguy hiểm cho mơi trường nếu xử lý không đúng cách. Những hệ thống này hiện đang được sử dụng bởi Tesla, Jaguar và BMW.
Tuy nhiên làm mát bằng chất lỏng có tiềm năng làm mát tự nhiên cao hơn làm mát bằng khơng khí vì chất làm mát bằng chất lỏng có xu hướng dẫn nhiệt cao hơn khơng khí.
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 công 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 hồn 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 khơng 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 cơng 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 không 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 vòng/phút với dải công suất không 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 công nghiệp ô tô, 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 khơng 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.