Sự chung sống của con người với môi trường và sự phát triển bền vững của nền kinh tế toàn cầu khiến mọi người mong muốn tìm kiếm một phương tiện giao thông ít phát thải và tiết kiệm tài nguyên, và việc sử dụng xe điện chắc chắn là một giải pháp đầy hứa hẹn.
Xe điện hiện đại là sản phẩm tổng hợp tích hợp nhiều công nghệ công nghệ cao như điện, điện tử, điều khiển cơ khí, khoa học vật liệu, công nghệ hóa học. Hiệu suất vận hành tổng thể, tính kinh tế, v.v. trước hết phụ thuộc vào hệ thống pin và hệ thống điều khiển truyền động động cơ. Hệ thống truyền động động cơ của ô tô điện thường bao gồm bốn bộ phận chính là bộ điều khiển. Bộ chuyển đổi điện, động cơ và cảm biến. Hiện nay, động cơ được sử dụng trong xe điện thường bao gồm động cơ DC, động cơ cảm ứng, động cơ từ trở chuyển mạch và động cơ không chổi than nam châm vĩnh cửu.
1. Yêu cầu cơ bản của xe điện đối với động cơ điện
Hoạt động của xe điện, không giống như các ứng dụng công nghiệp thông thường, rất phức tạp. Vì vậy, yêu cầu đối với hệ thống truyền động rất cao.
1.1 Động cơ dùng cho xe điện phải có đặc tính là công suất tức thời lớn, khả năng chịu quá tải mạnh, hệ số quá tải từ 3 đến 4), khả năng tăng tốc tốt và tuổi thọ cao.
1.2 Động cơ cho xe điện phải có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, bao gồm diện tích mô men xoắn không đổi và diện tích công suất không đổi. Trong vùng mô men xoắn không đổi, cần mô men xoắn cao khi chạy ở tốc độ thấp để đáp ứng yêu cầu khởi động và leo dốc; trong vùng công suất không đổi, cần có tốc độ cao khi cần mô-men xoắn thấp để đáp ứng yêu cầu lái xe tốc độ cao trên đường bằng phẳng. Yêu cầu.
1.3 Động cơ điện cho xe điện phải có khả năng thực hiện phanh tái tạo khi xe giảm tốc độ, thu hồi và nạp năng lượng trở lại cho ắc quy, để xe điện có hiệu suất sử dụng năng lượng tốt nhất, điều mà xe động cơ đốt trong không thể đạt được .
1.4 Động cơ điện cho xe điện phải có hiệu suất cao trong toàn bộ phạm vi hoạt động để cải thiện phạm vi hành trình trong một lần sạc.
Ngoài ra, động cơ điện cho xe điện cũng yêu cầu phải có độ tin cậy tốt, có thể làm việc lâu dài trong môi trường khắc nghiệt, có kết cấu đơn giản, phù hợp cho sản xuất hàng loạt, ít gây tiếng ồn khi vận hành, dễ sử dụng. và duy trì, và giá rẻ.
2 loại và phương pháp điều khiển động cơ điện cho xe điện
2.1 DC
Động cơ Ưu điểm chính của động cơ DC chổi than là điều khiển đơn giản và công nghệ hoàn thiện. Nó có đặc tính điều khiển tuyệt vời mà động cơ AC không thể so sánh được. Trong các loại xe điện phát triển ban đầu, động cơ DC chủ yếu được sử dụng và thậm chí cho đến nay, một số xe điện vẫn được dẫn động bởi động cơ DC. Tuy nhiên, do sự tồn tại của chổi than và cổ góp cơ học không chỉ hạn chế việc nâng cao hơn nữa khả năng quá tải và tốc độ của động cơ mà còn phải bảo dưỡng, thay thế chổi than và cổ góp thường xuyên nếu chạy trong thời gian dài. Ngoài ra, do tổn thất tồn tại trên rôto nên khó tản nhiệt, điều này hạn chế việc cải thiện hơn nữa tỷ số mô-men xoắn trên khối lượng của động cơ. Do những khuyết điểm trên của động cơ DC, về cơ bản, động cơ DC không được sử dụng trong các loại xe điện mới phát triển.
Động cơ cảm ứng ba pha 2.2 AC
2.2.1 Đặc tính cơ bản của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Động cơ cảm ứng ba pha AC là động cơ được sử dụng rộng rãi nhất. Stator và rôto được dát mỏng bằng các tấm thép silicon và không có vòng trượt, cổ góp và các bộ phận khác tiếp xúc với nhau giữa các stato. Cấu trúc đơn giản, hoạt động đáng tin cậy và bền bỉ. Phạm vi công suất của động cơ cảm ứng xoay chiều rất rộng và tốc độ đạt 12000 ~ 15000r/phút. Có thể sử dụng làm mát bằng không khí hoặc làm mát bằng chất lỏng với mức độ tự do làm mát cao. Nó có khả năng thích ứng tốt với môi trường và có thể thực hiện phanh phản hồi tái tạo. So với động cơ DC cùng công suất, hiệu suất cao hơn, chất lượng giảm khoảng một nửa, giá rẻ và bảo trì thuận tiện.
2.2.2 Hệ thống điều khiển
của động cơ cảm ứng AC Bởi vì động cơ cảm ứng ba pha AC không thể sử dụng trực tiếp nguồn DC do pin cung cấp và động cơ cảm ứng ba pha AC có đặc tính đầu ra phi tuyến. Vì vậy, trên ô tô điện sử dụng động cơ cảm ứng xoay chiều ba pha cần sử dụng thiết bị bán dẫn công suất trong bộ biến tần để chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số và biên độ có thể điều chỉnh được để thực hiện điều khiển dòng điện xoay chiều. động cơ ba pha. Chủ yếu có phương pháp điều khiển v/f và phương pháp điều khiển tần số trượt.
Sử dụng phương pháp điều khiển véc tơ, tần số dòng điện xoay chiều của cuộn dây kích thích của động cơ cảm ứng ba pha AC và điều chỉnh đầu cực của động cơ cảm ứng ba pha AC đầu vào được điều khiển, từ thông và mô-men xoắn của từ trường quay của động cơ cảm ứng ba pha AC được điều khiển và thực hiện sự thay đổi của động cơ cảm ứng ba pha AC. Tốc độ và mô-men xoắn đầu ra có thể đáp ứng các yêu cầu về đặc tính thay đổi tải và có thể đạt được hiệu suất cao nhất, do đó động cơ cảm ứng ba pha AC có thể được sử dụng rộng rãi trong xe điện.
2.2.3 Những hạn chế của
Động cơ cảm ứng ba pha AC Mức tiêu thụ điện năng của động cơ cảm ứng ba pha AC lớn và rôto dễ nóng lên. Cần đảm bảo làm mát động cơ cảm ứng ba pha AC trong quá trình vận hành tốc độ cao, nếu không động cơ sẽ bị hỏng. Hệ số công suất của động cơ cảm ứng ba pha AC thấp nên hệ số công suất đầu vào của thiết bị chuyển đổi tần số và chuyển đổi điện áp cũng thấp nên cần sử dụng thiết bị chuyển đổi tần số và chuyển đổi điện áp công suất lớn. Chi phí của hệ thống điều khiển của động cơ cảm ứng ba pha AC cao hơn nhiều so với chính động cơ cảm ứng ba pha AC, điều này làm tăng giá thành của xe điện. Ngoài ra, khả năng điều chỉnh tốc độ của động cơ cảm ứng ba pha AC cũng kém.
2.3 Động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu
2.3.1 Hiệu suất cơ bản của động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu
Động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu là động cơ hiệu suất cao. Đặc điểm lớn nhất của nó là có đặc tính bên ngoài của động cơ DC không có cấu trúc tiếp xúc cơ học gồm chổi than. Ngoài ra, nó sử dụng rôto nam châm vĩnh cửu và không có tổn thất kích thích: cuộn dây phần ứng được làm nóng được lắp ở stato bên ngoài, dễ dàng tản nhiệt. Do đó, động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu không có tia lửa giao hoán, không bị nhiễu sóng vô tuyến, tuổi thọ cao và hoạt động đáng tin cậy. , bảo trì dễ dàng. Ngoài ra, tốc độ của nó không bị giới hạn bởi chuyển mạch cơ học và nếu sử dụng vòng bi không khí hoặc vòng bi treo từ tính, nó có thể chạy với tốc độ lên tới vài trăm nghìn vòng quay mỗi phút. So với hệ thống động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu, nó có mật độ năng lượng cao hơn và hiệu suất cao hơn, đồng thời có triển vọng ứng dụng tốt trong xe điện.
2.3.2 Hệ thống điều khiển của động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu
Động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu điển hình là một hệ thống điều khiển véc tơ gần như tách rời. Vì nam châm vĩnh cửu chỉ có thể tạo ra từ trường có biên độ cố định nên hệ thống động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu rất quan trọng. Nó phù hợp để chạy trong vùng mô-men xoắn không đổi, thường sử dụng điều khiển trễ hiện tại hoặc phương pháp SPWM loại phản hồi hiện tại để hoàn thành. Để mở rộng hơn nữa tốc độ, động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu cũng có thể sử dụng điều khiển suy yếu trường. Bản chất của điều khiển suy yếu trường là tăng góc pha của dòng điện pha để tạo ra khả năng khử từ theo trục trực tiếp nhằm làm suy yếu liên kết từ thông trong cuộn dây stato.
2.3.3 Thiếu hụt
Động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu Động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu bị ảnh hưởng và hạn chế bởi quá trình xử lý vật liệu nam châm vĩnh cửu, khiến dải công suất của động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu nhỏ và công suất tối đa chỉ hàng chục kilowatt. Khi vật liệu nam châm vĩnh cửu chịu rung động, nhiệt độ cao và dòng điện quá tải, tính thấm từ của nó có thể giảm hoặc khử từ, điều này sẽ làm giảm hiệu suất của động cơ nam châm vĩnh cửu và thậm chí làm hỏng động cơ trong trường hợp nghiêm trọng. Quá tải không xảy ra. Ở chế độ công suất không đổi, động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu vận hành phức tạp và đòi hỏi hệ thống điều khiển phức tạp, khiến hệ thống truyền động của động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu rất đắt tiền.
2.4 Động cơ chuyển mạch từ trở
2.4.1 Hiệu suất cơ bản của động cơ chuyển mạch từ trở
Động cơ từ trở chuyển mạch là một loại động cơ mới. Hệ thống này có nhiều đặc điểm rõ ràng: cấu trúc của nó đơn giản hơn bất kỳ động cơ nào khác và không có vòng trượt, cuộn dây và nam châm vĩnh cửu trên rôto của động cơ mà chỉ có trên stato. Có một cuộn dây tập trung đơn giản, các đầu cuộn dây ngắn và không có dây nối giữa các pha, rất dễ bảo trì và sửa chữa. Do đó, độ tin cậy tốt và tốc độ có thể đạt tới 15000 vòng/phút. Hiệu suất có thể đạt 85% đến 93%, cao hơn so với động cơ cảm ứng xoay chiều. Tổn hao chủ yếu ở stato, động cơ dễ làm mát; Rôto là một nam châm vĩnh cửu, có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng và điều khiển linh hoạt, dễ dàng đạt được các yêu cầu đặc biệt khác nhau về đặc tính tốc độ mô-men xoắn và duy trì hiệu suất cao trong phạm vi rộng. Nó phù hợp hơn với các yêu cầu về hiệu suất năng lượng của xe điện.
2.4.2 Hệ thống điều khiển động cơ từ trở chuyển mạch
Động cơ từ trở chuyển mạch có đặc tính phi tuyến cao nên hệ thống truyền động của nó phức tạp hơn. Hệ thống điều khiển của nó bao gồm một bộ chuyển đổi năng lượng.
Một. Cuộn dây kích thích của động cơ từ trở chuyển mạch của bộ biến đổi điện, bất kể dòng điện thuận hay dòng điện ngược, hướng của mô-men xoắn vẫn không thay đổi và chu kỳ được giao hoán. Mỗi pha chỉ cần một ống công tắc nguồn có công suất nhỏ hơn và mạch chuyển đổi nguồn tương đối đơn giản, không có sự cố xuyên suốt, độ tin cậy tốt, dễ thực hiện khởi động mềm và vận hành bốn góc phần tư của hệ thống và khả năng phanh tái tạo mạnh mẽ . Chi phí thấp hơn hệ thống điều khiển biến tần của động cơ cảm ứng ba pha AC.
b. Bộ điều khiển
Bộ điều khiển bao gồm bộ vi xử lý, mạch logic kỹ thuật số và các thành phần khác. Theo lệnh đầu vào của trình điều khiển, bộ vi xử lý sẽ phân tích và xử lý vị trí rôto của động cơ được phản hồi bởi bộ phát hiện vị trí và bộ phát hiện dòng điện cùng lúc, đồng thời đưa ra quyết định ngay lập tức và đưa ra một loạt lệnh thực thi để điều khiển động cơ từ trở chuyển mạch. Thích ứng với hoạt động của xe điện trong các điều kiện khác nhau. Hiệu suất của bộ điều khiển và tính linh hoạt của việc điều chỉnh phụ thuộc vào sự phối hợp hiệu suất giữa phần mềm và phần cứng của bộ vi xử lý.
c. Máy dò vị trí
Động cơ từ trở chuyển mạch yêu cầu máy dò vị trí có độ chính xác cao để cung cấp cho hệ thống điều khiển các tín hiệu về sự thay đổi vị trí, tốc độ và dòng điện của rôto động cơ và yêu cầu tần số chuyển mạch cao hơn để giảm tiếng ồn của động cơ từ trở chuyển mạch.
2.4.3 Nhược điểm của động cơ chuyển mạch từ trở
Hệ thống điều khiển của động cơ từ trở chuyển mạch phức tạp hơn một chút so với hệ thống điều khiển của các động cơ khác. Bộ dò vị trí là thành phần chính của động cơ từ trở chuyển mạch và hiệu suất của nó có ảnh hưởng quan trọng đến hoạt động điều khiển của động cơ từ trở chuyển mạch. Vì động cơ từ trở chuyển mạch có cấu trúc nổi gấp đôi nên chắc chắn sẽ có sự dao động mô-men xoắn và tiếng ồn là nhược điểm chính của động cơ từ trở chuyển mạch. Tuy nhiên, nghiên cứu trong những năm gần đây đã chỉ ra rằng tiếng ồn của động cơ từ trở chuyển mạch có thể được loại bỏ hoàn toàn bằng cách áp dụng công nghệ thiết kế, sản xuất và điều khiển hợp lý.
Ngoài ra, do mômen đầu ra của động cơ từ trở chuyển mạch dao động lớn và dòng điện một chiều của bộ chuyển đổi nguồn dao động lớn nên cần lắp một tụ lọc lớn trên bus DC.Ô tô đã sử dụng các động cơ điện khác nhau trong các giai đoạn lịch sử khác nhau, sử dụng động cơ DC có hiệu suất điều khiển tốt nhất và chi phí thấp hơn. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ động cơ, công nghệ chế tạo máy móc, công nghệ điện tử công suất và công nghệ điều khiển tự động, động cơ AC. Động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu và động cơ từ trở chuyển mạch cho thấy hiệu suất vượt trội so với động cơ DC và những động cơ này đang dần thay thế động cơ DC trong xe điện. Bảng 1 so sánh hiệu suất cơ bản của các động cơ điện khác nhau được sử dụng trong xe điện hiện đại. Hiện nay, giá thành của động cơ điện xoay chiều, động cơ nam châm vĩnh cửu, động cơ chuyển mạch từ trở và các thiết bị điều khiển của chúng vẫn còn tương đối cao. Sau khi sản xuất hàng loạt, giá của các động cơ và thiết bị điều khiển bộ phận này sẽ giảm nhanh chóng, đáp ứng yêu cầu về lợi ích kinh tế và khiến giá xe điện giảm xuống.
Thời gian đăng: 24-03-2022