Các động cơ sử dụng cho ô tô điện

Theo dự báo của tạp chí Discovery, ô tô điện là 1 trong 5 công nghệ bùng nổ trong năm 2011. Ban biên tập xin giới thiệu với bạn đọc loạt bài viết về ô tô điện. Dưới đây là bài báo thứ hai, bài thứ nhất được in trong tạp chí số tháng 05/2011. Thay vì sử dụng động cơ đốt trong (Internal Combustion Engine), ô tô điện được truyền động bằng động cơ điện. Trong bài báo này, trước tiên những ưu điểm của động cơ điện so với động cơ đốt trong và yêu cầu của động...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Các động cơ sử dụng cho ô tô điệnCác loại động cơ sử dụng cho ô tô điệnTheo dự báo của tạp chí Discovery, ô tô điện là 1 trong 5công nghệ bùng nổ trong năm 2011. Ban biên tập xin giớithiệu với bạn đọc loạt bài viết về ô tô điện. Dưới đây là bàibáo thứ hai, bài thứ nhất được in trong tạp chí số tháng05/2011.Thay vì sử dụng động cơ đốt trong (Internal CombustionEngine), ô tô điện được truyền động bằng động cơ điện.Trong bài báo này, trước tiên những ưu điểm của động cơđiện so với động cơ đốt trong và yêu cầu của động cơ cho ôtô điện sẽ được làm rõ. Sau đó, các tác giả giới thiệu và phântích ưu, nhược điểm, khả năng ứng dụng của một số loạiđộng cơ đã, đang và sẽ được sử dụng cho ô tô điện. Một sốkiến thức chuyên môn có thể khó hiểu đối với những bạn đọckhông cùng chuyên ngành, chúng tôi cố gắng diễn giải chúngmột cách trực quan, dễ hiểu. Khi cần tìm hiểu sâu, bạn đọc cóthể tham khảo những tài liệu được liệt kê ở cuối bài báo.1. Ưu điểm củađộng cơ điệnĐộng cơ điệnkhông sử dụngnhiên liệu đốt Hình 1. Động cơ in-wheel tích hợp(xăng, dầu) và trong bánh xe.không thải ra khícarbonic gây ô nhiễm môi trường – đó là ưu điểm hiển nhiênso với động cơ đốt trong. Bên cạnh đó, động cơ điện còn cónhững ưu điểm vượt trội về khả năng điều khiển, cho phépchúng ta sử dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến đểđiều khiển động cơ, qua đó nâng cao chất lượng động họccủa ô tô điện.a. Khả năng đáp ứng mômen nhanh và chính xácĐộng cơ điện có khả năng đáp ứng mômen nhanh gấpkhoảng 100 lần so với động cơ đốt trong [1].b. Có thể sử dụng hai hay bốn động cơ in-wheel lắp trongmỗi bánh xeÔ tô thông thường chỉ có một động cơ đốt trong, động cơđược nối với cầu chủ động (cầu trước, cầu sau hoặc hai cầu)qua trục các-đăng và phân chia mômen cho mỗi bánh xe bằnghộp vi sai. Thay vào đó, động cơ điện có thể được tích hợpbên trong các bánh xe (gọi là động cơ in-wheel), do vậy mộtchiếc ô tô điện có thể có một, hai hoặc bốn động cơ truyềnđộng.Việc tích hợp động cơ trong bánh xe làm thay đổi một cáchcơ bản kết cấu cơ khí của ô tô điện. Hơn thế nữa, điều nàycho phép ta điều khiển các bánh xe một cách độc lập từ đódẫn tới khả năng điều khiển chuyển động của xe rất linh hoạt.c. Có thể tính toán dễ dàng và chính xác mômen của độngcơ điệnKhác với động cơ đốt trong, ta có thể tính toán, ước lượngmột cách chính xác và dễ dàng mômen điện từ của động cơđiện bằng cách đo các thông số về dòng điện và điện áp củađộng cơ. Ước lượng được mômen sẽ giúp ta điều khiển chínhxác mômen do động cơ sinh ra, từ đó tính toán và điều khiểnchính xác lực tác động giữa mặt đường và bánh xe – điều rấtkhó thực hiện đối với động cơ đốt trong.2. Yêu cầu về động cơ cho ô tô điệnĐộng cơ truyền động cho ô tô điện có những yêu cầu riêng,có những điểm khác so với động cơ dùng trong công nghiệp.Nhìn chung, loại động cơ này cần có những yêu cầu đượcphân tích dưới đây.a. Khối lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, mật độ công suấtlớn.Động cơ truyền động cho ô tô điện thường có công suất từkhoảng 30 kW cho tới 100 kW và hơn thế nữa. Với công suấtnày, nếu sử dụng động cơ thông thường trong công nghiệp,khối lượng động cơ sẽ rất lớn, làm tăng tự trọng của xe (khốilượng net), dẫn đến tiêu tốn năng lượng, giảm quãng đườngđi được mỗi lần nạp điện (một thông số rất quan trọng của ôtô điện).b. Dải điều chỉnh tốc độ rộng.Xe ô tô thông thường có dải tốc độ từ 0 đến khoảng 150km/h, điều này đòi hỏi động cơ phải hoạt động trong một dảitốc độ rất rộng.c. Đặc tính làmviệc phù hợp vớiđặc tính của ô tô. Hình 2. So sánh đặc tính làm việcTa biết rằng, khi ô của động cơ dùng trong côngtô khởi động và nghiệp (a) và cho ô tô điện (b) [2].chạy ở tốc độ thấp,mômen sinh ra cần phải lớn, khi xe chạy ở tốc độ cao thì chỉcần mômen nhỏ. Động cơ điện có hai vùng làm việc:- Vùng I: dưới tốc độ cơ bản (vùng mômen không đổi)- Vùng II: trên tốc độ cơ bản (vùng công suất không đổi)Động cơ trong công nghiệp làm việc ở vùng I nhiều hơn vùngII. Trong khi đó, đặc tính của vùng II lại phù hợp với đặc tínhlàm việc nêu trên của ô tô điện như ta thấy một cách tươngđối trên hình 2.Với những yêu cầu như trên, rõ ràng cần phải nghiên cứu,thiết kế, chế tạo động cơ trong chiến lược tổng thể phát triểnô tô điện. Đối với Việt Nam, đây là một yêu cầu khó vì nướcta chưa có nền công nghiệp chế tạo động cơ phát triển mạnh.Trên thực tế, hiện nay chỉ có Công ty cổ phần chế tạo máyđiện Việt – Hung là đơn vị duy nhất chế tạo động cơ ở nướcta trên quy mô công nghiệp, và sản phẩm của công ty phầnlớn là động cơ không đồng bộ. Do vậy, nếu muốn nghiên cứuchế tạo ô tô điện, nhất thiết phải đầu tư nghiên cứu chế tạođộng cơ điện một cách đồng bộ.3. Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện Hình 3. Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện.a. Động cơ một chiều (DC Motor)Động cơ một chiều có ưu điểm nổi bật là rất dễ điều khiển.Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển chưa pháttriển, động cơ một chiều là sự lựa chọn hàng đầu cho nhữngứng dụng cần điều khiển tốc độ, mômen. Nhược điểm củaloại động cơ này là cần bộ vành góp, chổi than, có tuổi thọthấp, đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên, không phùhợp với điều kiện nóng ẩm, bụi bặm. Khi công nghệ bán dẫnvà kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh, động cơ một chiềudần bị thay thế bởi các loại động cơ khác.b. Động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM)Động cơ IM có ưu điểm giá thành thấp, thông dụng, dễ chếtạo. Với kỹ thuật hiện nay, hoàn toàn có thể thực hiện cácthuật toán điều khiển vector tiên tiến cho động cơ IM, đápứng các yêu cầu công nghệ cần thiết. Nhược điểm của độngcơ IM là có hiệu suất thấp. Các hãng xe của Hoa Kỳ như GMphần lớn sử dụng động cơ IM làm động cơ truyền động, lý dolà xe ở Mỹ chủ yếu chạy trê ...