Đang tải... (xem toàn văn)
TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2 TÀI LIỆU ĐÀO TẠO Ô tô điện 2
Loạt Ơ tơ điện – Bài 10/11/2011 — Bảo Huy Bài đăng Tạp chí Tự động hóa Ngày số 127, tháng 6/2011 Đây thứ hai tổng số tác giả chủ đề Các loại động sử dụng cho ô tô điện Nguyễn Bảo Huy, Tạ Cao Minh Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Sáng tạo Công nghệ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Thay sử dụng động đốt (Internal Combustion Engine), ô tô điện truyền động động điện Trong báo này, trước tiên ưu điểm động điện so với động đốt yêu cầu động cho ô tô điện làm rõ Sau đó, tác giả giới thiệu phân tích ưu, nhược điểm, khả ứng dụng số loại động đã, sử dụng cho ô tô điện Một số kiến thức chun mơn khó hiểu bạn đọc không chuyên ngành, cố gắng diễn giải chúng cách trực quan, dễ hiểu Khi cần tìm hiểu sâu, bạn đọc tham khảo tài liệu liệt kê cuối báo Ưu điểm động điện Động điện không sử dụng nhiên liệu đốt (xăng, dầu) khơng thải khí carbonic gây nhiễm mơi trường – ưu điểm hiển nhiên so với động đốt Bên cạnh đó, động điện có ưu điểm vượt trội khả điều khiển, cho phép sử dụng phương pháp điều khiển tiên tiến để điều khiển động cơ, qua nâng cao chất lượng động học tơ điện a Khả đáp ứng mơmen nhanh xác Động điện có khả đáp ứng mơmen nhanh gấp khoảng 100 lần so với động đốt [1] b Có thể sử dụng hai hay bốn động in-wheel lắp bánh xe Ơ tơ thơng thường có động đốt trong, động nối với cầu chủ động (cầu trước, cầu sau hai cầu) qua trục các-đăng phân chia mômen cho bánh xe hộp vi sai Thay vào đó, động điện tích hợp bên bánh xe (gọi động in-wheel), tơ điện có một, hai bốn động truyền động Hình Động in-wheel tích hợp bánh xe Việc tích hợp động bánh xe làm thay đổi cách kết cấu khí tơ điện Hơn nữa, điều cho phép ta điều khiển bánh xe cách độc lập từ dẫn tới khả điều khiển chuyển động xe linh hoạt c Có thể tính tốn dễ dàng xác mơmen động điện Khác với động đốt trong, ta tính tốn, ước lượng cách xác dễ dàng mơmen điện từ động điện cách đo thông số dòng điện điện áp động Ước lượng mơmen giúp ta điều khiển xác mơmen động sinh ra, từ tính tốn điều khiển xác lực tác động mặt đường bánh xe – điều khó thực động đốt Yêu cầu động cho ô tô điện Động truyền động cho tơ điện có u cầu riêng, có điểm khác so với động dùng cơng nghiệp Nhìn chung, loại động cần có yêu cầu phân tích a Khối lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, mật độ cơng suất lớn Động truyền động cho ô tô điện thường có cơng suất từ khoảng 30 kW 100 kW Với công suất này, sử dụng động thông thường công nghiệp, khối lượng động lớn, làm tăng tự trọng xe (khối lượng net), dẫn đến tiêu tốn lượng, giảm quãng đường lần nạp điện (một thông số quan trọng ô tô điện) b Dải điều chỉnh tốc độ rộng Xe ô tô thơng thường có dải tốc độ từ đến khoảng 150 km/h, điều đòi hỏi động phải hoạt động dải tốc độ rộng c Đặc tính làm việc phù hợp với đặc tính tô Ta biết rằng, ô tô khởi động chạy tốc độ thấp, mômen sinh cần phải lớn, xe chạy tốc độ cao cần mơmen nhỏ Động điện có hai vùng làm việc: - Vùng I: tốc độ (vùng mômen không đổi) - Vùng II: tốc độ (vùng công suất không đổi) Động công nghiệp làm việc vùng I nhiều vùng II Trong đó, đặc tính vùng II lại phù hợp với đặc tính làm việc nêu tô điện ta thấy cách tương đối hình Hình So sánh đặc tính làm việc động dùng công nghiệp (a) cho ô tô điện (b) [2] Với yêu cầu trên, rõ ràng cần phải nghiên cứu, thiết kế, chế tạo động chiến lược tổng thể phát triển ô tô điện Đối với Việt Nam, u cầu khó nước ta chưa có cơng nghiệp chế tạo động phát triển mạnh Trên thực tế, có Cơng ty cổ phần chế tạo máy điện Việt – Hung đơn vị chế tạo động nước ta quy mô công nghiệp, sản phẩm công ty phần lớn động không đồng Do vậy, muốn nghiên cứu chế tạo ô tô điện, thiết phải đầu tư nghiên cứu chế tạo động điện cách đồng Các loại động sử dụng cho tơ điện Hình Các loại động sử dụng cho ô tô điện a Động chiều (DC Motor) Động chiều có ưu điểm bật dễ điều khiển Khi công nghệ bán dẫn kỹ thuật điều khiển chưa phát triển, động chiều lựa chọn hàng đầu cho ứng dụng cần điều khiển tốc độ, mômen Nhược điểm loại động cần vành góp, chổi than, có tuổi thọ thấp, đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng thường xun, khơng phù hợp với điều kiện nóng ẩm, bụi bặm Khi cơng nghệ bán dẫn kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh, động chiều dần bị thay loại động khác b Động không đồng (Induction Motor – IM) Động IM có ưu điểm giá thành thấp, thông dụng, dễ chế tạo Với kỹ thuật nay, hồn tồn thực thuật toán điều khiển vector tiên tiến cho động IM, đáp ứng yêu cầu công nghệ cần thiết Nhược điểm động IM có hiệu suất thấp Các hãng xe Hoa Kỳ GM phần lớn sử dụng động IM làm động truyền động, lý xe Mỹ chủ yếu chạy đường cao tốc, khoảng cách dài, đường đô thị rộng thống; động IM phát huy tối đa hiệu suất mình, tổn thất không lớn Ở Việt Nam, đường chủ yếu nhỏ, hẹp, đông đúc, xe thường chạy tốc độ thấp hay phải dừng, đỗ Với chế độ hoạt động vậy, động IM phải thường xuyên chạy tốc độ định mức gây hiệu suất thấp, hạn chế đáng kể quãng đường cho lần nạp ắc quy c Động từ trở đồng (Synchronous Reluctance Motor – SynRM) Động SynRM có cấu trúc stator giống động xoay chiều thông thường với dây quấn lõi sắt từ Rotor động thiết kế gồm lớp vật liệu từ tính phi từ tính đan xen ta thấy hình Cấu trúc khiến cho từ trở dọc trục từ trở ngang trục động khác nhau, sinh mômen từ trở làm động quay (a) (b) Hình Cấu trúc động từ trở đồng – SynRM [3] (a) so sánh rotor động SynRM với động IM ABB (b) d Động từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor – SRM) Động SRM có cấu tạo rotor stator có dạng cực lồi, stator có dây quấn tương tự dây quấn kích từ động chiều, rotor khối sắt, khơng có dây quấn hay nam châm Với cấu tạo đặc biệt này, SRM bền vững khí, cho phép thiết kế dải tốc độ cao, lên tới hàng chục nghìn vòng / phút Ngun lý hoạt động động sau: dây quấn stator kích từ (gần giống động bước – stepping motor), lực từ trường tác dụng lên rotor làm quay từ vị trí có từ trở lớn (vị trí lệch trục) đến vị trí có từ trở nhỏ (vị trí đồng trục) Mạch từ động làm việc vùng tuyến tính vùng bão hòa nên ta sử dụng tối đa khả vật liệu từ, động SRM có tỉ lệ cơng suất khối lượng (kích thước) lớn Hình Động từ trở thay đổi – SRM Lệch trục Các cực gối lên Đồng trục Hình Đường sức từ vị trí điển hình trình hoạt động SRM Động SRM có nhược điểm làm hạn chế khả ứng dụng Nguyên lý vận hành đơn giản, lại khó điều khiển với chất lượng cao có nhấp nhô mômen (torque ripple) lớn, đặc biệt thời gian chuyển mạch Mặt khác, cấu tạo cực lồi, động có tính phi tuyến cao, gây khó khăn cho việc điều khiển thiết kế động Những nhược điểm nghiên cứu, khắc phục thành công mở hướng ứng dụng rộng rãi cho SRM, công nghiệp lĩnh vực ô tô điện Bản thân tác giả tiến hành nghiên cứu thiết kế điều khiển loại động này, có kết ban đầu công bố tài liệu [4] e Động chiều không chổi than (Brushless DC motor – BLDC motor) Động BLDC thực tế loại động đồng nam châm vĩnh cửu Điểm khác biệt so với động đồng khác sức phản điện động (back-EMF) động có dạng hình thang cấu trúc dây quấn tập trung (các loại khác có dạng hình sin cấu trúc dây quấn phân tán) Dạng sóng sức phản điện động hình thang khiến cho động BLDC có đặc tính giống động chiều, mật độ công suất, khả sinh mômen cao, hiệu suất cao Động điều khiển dựa vào tín hiệu từ cảm biến Hall xác định vị trí rotor hình Nhược điểm động BLDC có nhấp nhơ mơmen lớn, xuất xung mơmen chu kì, nhiên, sử dụng thuật tốn điều khiển để giảm nhấp nhô mômen Một phương pháp hiệu thuật toán điều khiển giả vector (Pseudo-vector Control – PVC) đề xuất tác giả Tạ Cao Minh [5, 6] vào ứng dụng cho thiết bị trợ lái vô lăng công ty NSK Nhật Bản (a) (b) Hình Cấu trúc động BLDC (a) cảm biến Hall (b) Hình Nguyên lý điều khiển động BLDC [3] f Động đồng nam châm vĩnh cửu chìm (Interior Permanent Magnet Motor – IPM motor) Động IPM có ưu gần tuyệt đối ứng dụng cho ô tô điện Động nam châm vĩnh cửu thơng thường có nam châm gắn bề mặt rotor (SPM) vốn có đặc tính điều khiển tốt Động IPM có nam châm gắn chìm bên rotor (hình 9), dẫn tới khác biệt điện cảm dọc trục điện cảm ngang trục (hình 10), từ tạo khả sinh mômen từ trở (Reluctance Torque) cộng thêm vào mơmen vốn có nam châm sinh (Magnet Torque) ta thấy hình 11 Đặc tính khiến động IPM có khả sinh mơmen cao, đặc biệt phù hợp cho ô tô điện Mặt khác, động IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ, làm việc tốt vùng II phân tích mục 2c phía Hình So sánh cấu trúc động SPM IPM [7] Hình 10 Khác với loại SPM, động IPM có điện cảm dọc trục ngang trục khác [7] Hình 11 Đặc tính sinh mơmen động IPM Theo tìm hiểu nhóm tác giả, động IPM sử dụng cho xe Nissan Leaf – ô tô điện biết đến nhiều Hãng Mitsubishi giới thiệu mẫu xe MiEV (Mitsubishi innovative Electric Vehicle) MIEV (Mitsubishi In-wheel Electric Vehicle) không công bố rõ loại động sử dụng cho mẫu xe Tuy nhiên, theo phán đốn tác giả, có khả họ sử dụng động IPM, nhà khoa học có nhiều nghiên cứu loại động này, GS Shigeo Morimoto, làm việc cho hãng Mitsubishi [8, 9] Kết luận Trong báo này, tác giả phân tích ưu điểm động điện yêu cầu động dùng cho tơ điện, từ đưa nhu cầu thiết phát triển ngành chế tạo động nước ta Phần báo khảo sát mang tính tổng quát loại động đã, đang, sử dụng làm động truyền động cho tơ điện, nói định hướng cho việc lựa chọn động nghiên cứu ô tô điện Tài liệu tham khảo [1] Hori, Y.; , “Future vehicle society based on electric motor, capacitor and wireless power supply”, Power Electronics Conference (IPEC), 2010 International, pp.29302934, 21-24 June 2010 [2] Xue, X.D.; Cheng, K.; Cheung, N.C.; , “Selection of Electric Motor Drives for Electric Vehicles”, Power Engineering Conference, 2008 AUPEC ’08, Australasian Universities, pp.1-6, 14-17 Dec 2008 [3] B.K Bose, Modern Power Electronics and AC Drives, Prentice Hall, 2001 [4] Bao-Huy Nguyen, Cao-Minh Ta, “Finite Element Analysis, Modeling and Torque Distribution Control for Switched Reluctance Motors with High Non-linear Inductance Characteristics”, IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC 2011), pp 703-708, Niagara Falls, 15 –18 May 2011 [5] CaoMinh Ta, Shuji Endo, “Motor and Drive Control Device Therefor”, US7,339,346B2 (US Patent), Mar 4, 2008 [6] Cao-Minh Ta, “Pseudo-vector Control – An Alternative Approach for Brushless DC Motor Drives”, IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC 2011), pp 1543-1548, Niagara Falls, 15 –18 May 2011 [7] Jun Kang, “Sensorless Control of Permanent Magnet Motors”, Control Engineering, Vol 57, No 4, April 2010 [8] Shigeo Morimoto, Masayuki Sanada, Yoji Takeda, “Inverter-Driven Synchronous Motors for Constant Power”, IEEE Industry Applications Magazine, Vol 2, No 6, pp 1824, November/December 1996 [9] Shigeo Morimoto, Yoji Takeda, Takao Hirasa, Katsunori Taniguchi, “Expansion of Operating Limits for Permanent Magnet Motor by Current Vector Control Considering Inverter Capacity”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 26, No 5, pp 866871, September/October 1990 ... vậy, muốn nghiên cứu chế tạo ô tô điện, thiết phải đầu tư nghiên cứu chế tạo động điện cách đồng Các loại động sử dụng cho tơ điện Hình Các loại động sử dụng cho ô tô điện a Động chiều (DC Motor)... tính làm việc động dùng công nghiệp (a) cho ô tô điện (b) [2] Với yêu cầu trên, rõ ràng cần phải nghiên cứu, thiết kế, chế tạo động chiến lược tổng thể phát triển ô tô điện Đối với Việt Nam, u... net), dẫn đến tiêu tốn lượng, giảm quãng đường lần nạp điện (một thông số quan trọng ô tô điện) b Dải điều chỉnh tốc độ rộng Xe ô tô thông thường có dải tốc độ từ đến khoảng 150 km/h, điều đòi