Cấu trúc và thiết kế của xe điện thuần túy khác với xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống. Nó cũng là một hệ thống kỹ thuật phức tạp. Cần tích hợp công nghệ pin, công nghệ động cơ, công nghệ ô tô và lý thuyết điều khiển hiện đại để đạt được quy trình điều khiển tối ưu. Trong kế hoạch phát triển khoa học và công nghệ xe điện, quốc gia tiếp tục tuân thủ bố cục nghiên cứu và phát triển "ba chiều dọc và ba chiều ngang", và nhấn mạnh hơn nữa nghiên cứu các công nghệ then chốt chung của "ba chiều ngang" theo chiến lược chuyển đổi công nghệ "xe điện thuần túy", tức là nghiên cứu về động cơ dẫn động và hệ thống điều khiển của nó, pin và hệ thống quản lý của nó, và hệ thống điều khiển hệ thống truyền động. Mỗi nhà sản xuất lớn đều xây dựng chiến lược phát triển kinh doanh riêng của mình theo chiến lược phát triển quốc gia.
Tác giả đã phân loại các công nghệ then chốt trong quá trình phát triển hệ thống truyền động năng lượng mới, cung cấp cơ sở lý thuyết và tài liệu tham khảo cho việc thiết kế, thử nghiệm và sản xuất hệ thống truyền động. Kế hoạch được chia thành ba chương để phân tích các công nghệ then chốt của hệ thống truyền động điện trong xe điện thuần túy. Hôm nay, chúng ta sẽ giới thiệu trước tiên về nguyên lý và phân loại các công nghệ truyền động điện.
Hình 1. Các liên kết chính trong quá trình phát triển hệ thống truyền động.
Hiện nay, các công nghệ cốt lõi quan trọng của hệ thống truyền động xe điện thuần túy bao gồm bốn loại sau:
Hình 2. Các công nghệ cốt lõi quan trọng của hệ thống truyền động.
Định nghĩa về hệ thống động cơ lái
Tùy thuộc vào tình trạng của ắc quy xe và yêu cầu về công suất của xe, hệ thống sẽ chuyển đổi năng lượng điện do thiết bị phát điện và lưu trữ năng lượng trên xe tạo ra thành năng lượng cơ học, và năng lượng này được truyền đến các bánh xe thông qua thiết bị truyền động. Một phần năng lượng cơ học của xe được chuyển đổi thành năng lượng điện và hồi lưu vào thiết bị lưu trữ năng lượng khi xe phanh. Hệ thống truyền động điện bao gồm động cơ, cơ cấu truyền động, bộ điều khiển động cơ và các bộ phận khác. Việc thiết kế các thông số kỹ thuật của hệ thống truyền động năng lượng điện chủ yếu bao gồm công suất, mô-men xoắn, tốc độ, điện áp, tỷ số truyền giảm, điện dung nguồn cung cấp, công suất đầu ra, điện áp, dòng điện, v.v.
1) Bộ điều khiển động cơ
Còn được gọi là bộ biến tần, nó chuyển đổi dòng điện một chiều đầu vào từ bộ pin thành dòng điện xoay chiều. Các thành phần chính:
◎ IGBT: công tắc điện tử công suất, nguyên lý: thông qua bộ điều khiển, điều khiển cần cầu IGBT đóng mạch theo tần số và trình tự nhất định để tạo ra dòng điện xoay chiều ba pha. Bằng cách điều khiển công tắc điện tử công suất đóng mạch, điện áp xoay chiều có thể được chuyển đổi. Sau đó, điện áp xoay chiều được tạo ra bằng cách điều khiển chu kỳ làm việc.
◎ Tụ điện màng: chức năng lọc; cảm biến dòng điện: phát hiện dòng điện của cuộn dây ba pha.
2) Mạch điều khiển và vận hành: bo mạch điều khiển máy tính, IGBT điều khiển
Chức năng của bộ điều khiển động cơ là chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) sang dòng điện xoay chiều (AC), nhận từng tín hiệu và xuất ra công suất và mô-men xoắn tương ứng. Các thành phần cốt lõi bao gồm: công tắc điện tử công suất, tụ điện màng, cảm biến dòng điện, mạch điều khiển để mở các công tắc khác nhau, tạo ra dòng điện theo các hướng khác nhau và tạo ra điện áp xoay chiều. Do đó, ta có thể chia dòng điện xoay chiều hình sin thành các hình chữ nhật. Diện tích của các hình chữ nhật này được chuyển đổi thành điện áp có cùng chiều cao. Trục x thực hiện điều khiển chiều dài bằng cách điều khiển chu kỳ làm việc, và cuối cùng thực hiện chuyển đổi tương đương diện tích. Bằng cách này, công suất DC có thể được điều khiển để đóng nhánh cầu IGBT ở một tần số và trình tự chuyển mạch nhất định thông qua bộ điều khiển để tạo ra nguồn điện xoay chiều ba pha.
Hiện nay, các linh kiện chính của mạch điều khiển đều phải nhập khẩu: tụ điện, bóng bán dẫn IGBT/MOSFET, DSP, chip điện tử và mạch tích hợp, những linh kiện này có thể tự sản xuất nhưng năng lực sản xuất còn hạn chế: mạch chuyên dụng, cảm biến, đầu nối, những linh kiện này cũng có thể tự sản xuất: nguồn điện, điốt, cuộn cảm, bảng mạch nhiều lớp, dây dẫn cách điện, bộ tản nhiệt.
3) Động cơ: chuyển đổi dòng điện xoay chiều ba pha thành năng lượng máy móc.
◎ Cấu trúc: nắp trước và sau, vỏ, trục và ổ bi
◎ Mạch từ: lõi stato, lõi rôto
◎ Mạch điện: cuộn dây stato, dây dẫn rôto
4) Thiết bị truyền dẫn
Hộp số hoặc bộ giảm tốc chuyển đổi mô-men xoắn và tốc độ đầu ra từ động cơ thành tốc độ và mô-men xoắn cần thiết cho toàn bộ xe.
Loại động cơ dẫn động
Động cơ điện được chia thành bốn loại chính. Hiện nay, động cơ cảm ứng xoay chiều và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là hai loại phổ biến nhất trong các xe điện năng lượng mới. Vì vậy, chúng tôi tập trung vào công nghệ của động cơ cảm ứng xoay chiều và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
| Động cơ DC | Động cơ cảm ứng AC | Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu | Động cơ điện trở chuyển mạch | |
| Lợi thế | Chi phí thấp hơn, yêu cầu hệ thống điều khiển thấp hơn | Chi phí thấp, phạm vi phủ sóng rộng, công nghệ điều khiển tiên tiến, độ tin cậy cao. | Mật độ công suất cao, hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn | Cấu trúc đơn giản, yêu cầu hệ thống điều khiển thấp. |
| Điều bất lợi | Yêu cầu bảo trì cao, tốc độ thấp, mô-men xoắn thấp, tuổi thọ ngắn. | Diện tích nhỏ gọn, hiệu quả cao, mật độ công suất thấp. | Chi phí cao Khả năng thích ứng với môi trường kém | Biến động mô-men xoắn lớn, tiếng ồn khi hoạt động cao. |
| Ứng dụng | Xe điện nhỏ hoặc siêu nhỏ tốc độ thấp | Xe điện dùng cho doanh nghiệp và xe chở khách | Xe điện dùng cho doanh nghiệp và xe chở khách | Xe chạy bằng hỗn hợp nhiên liệu |
1) Động cơ không đồng bộ cảm ứng AC
Nguyên lý hoạt động của động cơ điện xoay chiều cảm ứng không đồng bộ là cuộn dây sẽ đi qua rãnh stato và rôto: rôto được làm bằng các tấm thép mỏng có độ dẫn từ cao. Dòng điện ba pha sẽ chạy qua cuộn dây. Theo định luật cảm ứng điện từ Faraday, một từ trường quay sẽ được tạo ra, đó là lý do tại sao rôto quay. Ba cuộn dây của stato được nối với nhau theo góc 120 độ, và dây dẫn mang dòng điện tạo ra từ trường xung quanh chúng. Khi nguồn điện ba pha được cấp vào hệ thống đặc biệt này, từ trường sẽ thay đổi theo các hướng khác nhau theo sự thay đổi của dòng điện xoay chiều tại một thời điểm nhất định, tạo ra một từ trường có cường độ quay đều. Tốc độ quay của từ trường được gọi là tốc độ đồng bộ. Giả sử một dây dẫn kín được đặt bên trong, theo định luật Faraday, vì từ trường thay đổi, vòng dây sẽ cảm nhận được sức điện động, tạo ra dòng điện trong vòng dây. Tình huống này giống như vòng dây mang dòng điện nằm trong từ trường, tạo ra lực điện từ tác dụng lên vòng dây, và vòng dây bắt đầu quay. Sử dụng một cấu trúc tương tự như lồng sóc, dòng điện xoay chiều ba pha sẽ tạo ra từ trường quay thông qua stato, và dòng điện sẽ được cảm ứng trong thanh lồng sóc được nối tắt bởi vòng cuối, do đó rôto bắt đầu quay, đó là lý do tại sao động cơ được gọi là động cơ cảm ứng. Nhờ cảm ứng điện từ, thay vì nối trực tiếp với rôto để cảm ứng điện, các mảnh lõi sắt cách điện được lấp đầy trong rôto, sao cho kích thước nhỏ của sắt đảm bảo tổn thất dòng điện xoáy ở mức tối thiểu.
2) Động cơ đồng bộ AC
Rôto của động cơ đồng bộ khác với rôto của động cơ không đồng bộ. Nam châm vĩnh cửu được lắp đặt trên rôto, có thể chia thành loại gắn trên bề mặt và loại gắn chìm. Rôto được làm bằng thép silic tấm, còn nam châm vĩnh cửu được gắn chìm. Stato cũng được nối với dòng điện xoay chiều có độ lệch pha 120 độ, điều khiển biên độ và pha của dòng điện xoay chiều hình sin, sao cho từ trường do stato tạo ra ngược chiều với từ trường do rôto tạo ra, và từ trường quay. Bằng cách này, stato bị nam châm hút và quay cùng với rôto. Chu kỳ này qua chu kỳ khác được tạo ra bởi sự hút giữa stato và rôto.
Kết luận: Hệ thống truyền động động cơ cho xe điện về cơ bản đã trở thành xu hướng chủ đạo, nhưng không phải là đơn nhất mà rất đa dạng. Mỗi hệ thống truyền động động cơ đều có chỉ số tổng hợp riêng. Mỗi hệ thống đều được ứng dụng trong hệ thống truyền động xe điện hiện có. Hầu hết chúng là động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, trong khi một số khác thử nghiệm động cơ từ trở chuyển mạch. Điều đáng chú ý là hệ thống truyền động động cơ tích hợp công nghệ điện tử công suất, công nghệ vi điện tử, công nghệ số, công nghệ điều khiển tự động, khoa học vật liệu và các lĩnh vực khác để phản ánh triển vọng ứng dụng và phát triển toàn diện của nhiều lĩnh vực. Nó là một đối thủ cạnh tranh mạnh mẽ trong lĩnh vực động cơ xe điện. Để chiếm được vị trí trong tương lai của xe điện, tất cả các loại động cơ không chỉ cần tối ưu hóa cấu trúc động cơ mà còn phải liên tục khám phá các khía cạnh thông minh và số hóa của hệ thống điều khiển.
Thời gian đăng bài: 30 tháng 1 năm 2023
