Động cơ và bộ điều khiển động cơ điện bao gồm cả các thiết lập quan trọng cho BEV. Bộ điều khiển động cơ đặc biệt đã phát triển trong những năm gần đây với việc sử dụng cổng cách điện transistor lƣỡng cực (IGBT) nhƣ các thiết bị chuyển mach công suất cao ở vị trí của MOSFETs sử dụng trƣớc đó (kim loại – oxide – bán dẫn transistor hiệu ứng trƣờng). Cùng với sự tích hợp tốt hơn các thành phần khác, bộ điều khiển động cơ đã đƣợc cải thiện hiệu suất, giảm chi phí và đơ phức tạp trong vài thập kỷ qua. Trong khi đó, động cơ điện cũng đã
26
đƣợc cải thiện về các đặc trƣng momen xoắn, mật độ năng lƣợng và hiệu suất Theo phƣơng pháp cung cấp năng lƣợng thì động cơ điện đƣợc phân ra: Động cơ xoay chiều (AC) và động cơ một chiều (DC).Và từ hai loại động cơ điện này, tùy theo cấu trúc động cơ và cơ chế vận hành mà ngƣời ta lại phân chia ra thành các loại khác nhau nhƣ sau:
Bảng 2.12. Các loại động cơ điện chính.
Đối với động cơ một chiều DC thì nhƣ tên gọi cho thấy sử dụng nguồn cung cấp là dòng điện một chiều. Nó có ƣu điểm là dễ điều khiển tốc độ mà không ảnh hƣởng tới công suất và giá cả rẻ hơn, qua phân tích đồ thị đặc tính (hình 2-6) thì ta thấy động cơ điện một chiều có khả năng cung cấp một mơmen khởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng. Nhƣng bên cạnh đó thì nó lại có kích thƣớc và trọng lƣợng lớn hơn động cơ AC.
27
Bảng 1.13. Bảng so sánh các loại động cơ điện
Các loại động
cơ điện Ƣu điểm Nhƣợc điểm Động cơ một
chiều DC
Dễ điều khiển tốc độ, giá cả rẻ hơn, mômen khởi động cao, dải tốc độ rộng
Kích thƣớc và trọng lƣợng lớn hơn động cơ AC
Động cơ xoay chiều AC
Hiệu suất cao và phạm vi hoạt động rộng, kích thƣớc nhỏ gọn hơn DC
Mạch điện tử phức tạp cần phải lắp thêm bộ biến tần tuy nhiên thiết bị này chỉ cải thiện việc điều khiển tốc độ nhƣng chất lƣợng dịng điện lại giảm và có hệ số tỷ lệ công suất/ trọng lƣợng là cao
Đối với động cơ xoay chiều AC thì ƣu điểm chính động cơ này là thƣờng đạt đƣợc hiệu suất cao và phạm vi hoạt động rộng, nhƣng các mạch điện tử phức tạp cần phải lắp thêm bộ biến tần tuy nhiên thiết bị này chỉ cải thiện việc điều khiển tốc độ nhƣng chất lƣợng dòng điện lại giảm và có hệ số tỷ lệ cơng suất/ trọng lƣợng là cao (gấp đôi so với tỷ lệ công suất: trọng lƣợng của động cơ điện một chiều).
Đƣờng đặc tính của các loại động cơ điện. đƣợc thể hiện theo hình 2.6. qua hình ta sẽ so sánh và chọn lọc đƣợc động cơ điện phù hợp với xe điện hơn.
28
Đƣờng đặc tính lý tƣởng của xe.
Hình 2.7. Đặc tính làm việc lý tƣởng của xe
Từ đồ thị đặc làm việc lý tƣởng của xe ta thấy:
- Khi xe chuyển động, nếu gặp cản lớn thì vận tốc xe sẽ giảm dần, nếu cản tác động tới xe nhỏ thì xe có thể chạy ở tốc độ cao. Khi đó, cơng suất kéo cấp xuống yêu cầu không đổi (P = const).
- Phạm vi thay đổi tốc độ của xe yêu cầu càng cao càng tốt.
- Khả năng khắc phục cản của xe khi hoạt động yêu cầu càng lớn càng tốt. Nhƣ vậy: Ta thấy động cơ điện DC phù hợp với đƣờng đặc tính lý tƣởng
29
Động cơ điện có thể hoạt động ngay tại giá trị tốc độ bằng không, tăng dần tới giá trị tốc độ cơ bản mà tại đó cơng suất động cơ điện đạt đến giá trị cực đại. Lúc này giá trị điện áp đặt vào động cơ tăng tới giá trị giới hạn (điện áp định mức) trong khi dịng điện đƣợc giữ tại giá trị khơng đổi. Trong vùng tốc độ dƣới tốc độ cơ bản này, mô men động cơ đƣợc giữ khơng đổi. Trên xe điện thì vùng tốc độ này khơng cần q lớn, vì giai đoạn khởi động ban đầu là ngắn. Khi tốc độ động cơ tăng trên vùng tốc độ cơ bản, điện áp cấp vào động cơ đƣợc giữ không đổi (tại giá trị định mức) và dòng điện yếu đi. Điều này khiến công suất đầu ra không đổi trong khi mơ men và tốc độ có quan hệ hypebol. Đặc tính lực kéo tại các bánh xe khi sử dụng động cơ điện nhƣ trên hình 2-8. Khi sử dụng động cơ điện xe có thể khắc phục đƣợc các điều kiện cản khác nhau với phạm vi thay đổi momen lớn, và phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn.
Khi sử dụng động cơ điện ta có thể khơng cần sử dụng hộp số mà chỉ cần sử dụng một tỉ số truyền trung gian là có thể đáp ứng đƣợc đặc tính của ô tô. Vậy khi không cần ly hợp ta không cần lý hợp vào hệ truyền động.
Hiện nay, động cơ điện một chiều có hai loại: động cơ một chiều có chổi than và động cơ một chiều khơng chổi than. Loại có chổi than thì tuổi thọ khơng cao, trong q trình vận hành địi hỏi phải bảo dƣỡng chổi than.
Còn động cơ một chiều khơng chổi than BLDC (Brushles DC motor) có các ƣu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nhƣ: tỷ lệ momen/quán tính lớn, tỷ lệ cơng suất trên khối lƣợng cao.
Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trƣợt nên khơng tốn chi phí bảo trì chổi than. Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor. Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động:
Mật độ từ thơng khe hở khơng khí lớn. Tỷ lệ cơng suất/khối lƣợng máy điện cao.
30
Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt đƣợc điều khiển vị trí một cách chính xác).
Mơmen điều khiển đƣợc ở vị trí bằng khơng. Vận hành ở tốc độ cao.
Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn. Hiệu suất cao.
Kết cấu gọn.
Tuy nhiên nó cũng có nhƣợc điểm là do động cơ đƣợc kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo giá thành cao do nam châm vĩnh cửu khá cao nhƣng với sự phát triển công nghệ hiện nay thì giá thành nam châm có thể giảm. Động cơ BLDC đƣợc điều khiển bằng một bộ điều khiển với điện ngõ ra dạng xung vuông và cảm biến Hall đƣợc đặt bên trong động cơ để xác định vị trí rotor. Điều này làm tăng giá thành đẩu tƣ khi sử dụng động cơ BLDC. Tuy nhiên điều này cho phép điều khiển tốc độ và mơmen động cơ dễ dàng, chính xác hơn.
Nếu dùng các loại nam châm sắt từ chúng dễ từ hóa nhƣng khả năng tích từ khơng cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ. Nhƣng với loại nam châm hiếm nhƣ hiện nay thì nhƣợc điểm này đã đƣợc cải thiện đáng kể.
Qua những phân tích trên ta thấy loại động cơ một chiều khơng chổi than có đặc điểm đáp ứng đƣợc yêu cầu của đề tài. Vì vậy ta lựa sử dụng loại động cơ một chiều không chổi than là phƣơng pháp tối ƣu.