Nghiên cứu các bộ biến đổi cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) ứng dụng trong ô tô điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
====&====

VŨ MINH VƯƠNG

NGHIÊN CỨU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM MOTOR)
ỨNG DỤNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

HÀ NỘI - 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
====&====

VŨ MINH VƯƠNG

NGHIÊN CỨU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM MOTOR)
ỨNG DỤNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN

Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. TẠ CAO MINH

HÀ NỘI - 2011


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản Luận văn cao học với đề tài: “Nghiên cứu các bộ biến
đổi cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) dùng
trong ô tô điện” do em tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy hướng dẫn, PGS.
TS. TẠ CAO MINH. Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung thực.
Để hoàn thành Luận văn cao học này, ngoài các Tài liệu tham khảo đã dẫn ra
ở cuối Luận văn, không sao chép các công trình hoặc thiết kế tốt nghiệp của người
khác.
Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam đoan trên, em xin hoàn toàn chịu
trách nhiệm.
Học viên

Vũ Minh Vương

 


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN ...............................................................1 
1.1.  Lược sử phát triển của ô tô điện ...................................................................1 
1.2.  Những ưu điểm và điểm còn tồn tại của ô tô điện .......................................5 
1.3.  Cấu tạo chung của một hệ truyền động ô tô điện .........................................7 
1.4.  Các động cơ điện có thể sử dụng trong ô tô điện .........................................8 
CHƯƠNG 2 ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM
MOTOR) ...................................................................................................................11 
2.1.  Giới thiệu chung về IPM ............................................................................11 
2.2.  Đặc tính góc-momen của động cơ ..............................................................13 
2.3.  Mô hình toán học và phương pháp điều chỉnh động cơ .............................14 
2.3.1. 

Mô tả toán học động cơ IPM trong hệ tọa độ cực ..............................14 

2.3.2. 

Mô tả toán học động cơ IPM trong hệ tọa độ cố định 0αβ .................15 

2.3.3. 

Mô tả toán học động cơ IPM trên hệ tọa độ d-q .................................16 

2.4.  Đặc tính các vùng điều chỉnh .....................................................................18 
2.4.1. 

Vùng momen không đổi......................................................................19 

2.4.2. 

Vùng công suất không đổi ..................................................................19 

2.4.3. 

Vùng tích công suất và tốc độ không đổi............................................19 

2.5.  Các phương pháp điều khiển động cơ IPM ................................................20 
2.5.1. 

Điều khiển vector định hướng theo từ thông rotor FOC ....................20 

2.5.2. 

Điều khiển trực tiếp momen DTC ......................................................21 

 


2.5.3. 

Lựa chọn phương án điều khiển..........................................................22 

CHƯƠNG 3 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO ĐỘNG CƠ IPM .......................................24 
3.1.  Các bộ nghịch lưu.......................................................................................24 
3.1.1. 

Phân loại nghịch lưu ...........................................................................24 

3.2.  Các phương pháp điều biến ........................................................................27 
3.2.1. 

Phương pháp điều biến PWM sóng hình sin ......................................27 

3.2.2. 

Nghịch lưu ba pha sử dụng phương pháp điều chế SVM ...................32 

3.3.  Đặc thù của các bộ biến đổi cho ô tô điện ..................................................36 
3.3.1. 

Chuyển mạch mềm (soft-switching) ...................................................37 

3.3.2. 

Bộ biến đổi đa mức (multilevel inverter)............................................43 

3.4.  Bộ nghịch lưu ba mức diode kẹp (3L-NPC) ..............................................55 
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ..........................................68 
4.1.  Mô hình bộ nghịch lưu ...............................................................................68 
4.2.  Mô phỏng hệ thống.....................................................................................68 
4.2.1. 

Bộ điều chỉnh tốc độ ...........................................................................70 

4.2.2. 

Khối tính id* .........................................................................................70 

4.2.3. 

Khối điều chỉnh dòng điện có bù chéo ...............................................71 

4.2.4. 

Khối phát xung ....................................................................................71 

4.3.  Kết quả mô phỏng ......................................................................................74 
KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .......................................80 
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................82 
PHỤ LỤC ..................................................................................................................83 

 


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1-1: Mô hình chiếc xe điện đầu tiên trên thế giới. ..........................................1
Hình 1.1-2: Camille Jenatzy trong chiếc Jamais Contente năm 1899. .......................2
Hình 1.1-3: Electrovair II (1966). ...............................................................................4
Hình 1.1-4: Phiên bản EV1 của General Motor. .........................................................4
Hình 1.3-1: Cấu hình cơ bản của một hệ truyền động ô tô điện. ................................7
Hình 2.1-1: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm. ..................................12
Hình 2.2-1: Đồ thị vector động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm. .............13
Hình 2.2-2: Đặc tính góc-momen của động cơ. ........................................................14
Hình 2.3-1: Sơ đồ thay thế động cơ IPM trong hệ tọa độ quay đồng bộ. .................18
Hình 2.4-1: Các chế độ làm việc của động cơ. .........................................................18
Hình 2.5-1: Sơ đồ phương pháp điều khiển DTC. ....................................................21
Hình 2.5-2: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển FOC thông thường.......................23
Hình 3.1-1: Nghịch lưu nguồn dòng ba pha..............................................................25
Hình 3.1-2 Nghịch lưu nguồn dòng ba pha, có diode cách ly...................................25
Hình 3.1-3: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha. .......................................................27
Hình 3.2-1: Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển nghịch lưu áp ba pha điều chế PWM

sóng hình sin. ............................................................................................................28
Hình 3.2-2: Dạng tín hiệu điều khiển và dạng điện áp ra PWM. ..............................29
Hình 3.2-3: Quan hệ giữa điện áp đầu ra và điện áp sóng chuẩn khi cải biến. .........31
Hình 3.2-4 Vector không gian và các vector biên chuẩn. .........................................34
Hình 3.3-1: Mô hình điều khiển động cơ của một ô tô. ............................................36
Hình 3.3-2: Mô hình khóa chuyển mạch mềm..........................................................39
Hình 3.3-3: Cấu tạo của bộ nghịch lưu QPRDCL ....................................................40
Hình 3.3-4: Mạch tương đương của bộ nghịch lưu QPRDCL ..................................41
Hình 3.3-5: Các chế độ hoạt động.............................................................................42
Hình 3.3-6: Các dạng sóng thành phần của các khóa chuyển mạch. ........................42
Hình 3.3-7: Dạng điện áp của khóa Sa1 và Sa2 ..........................................................42

 


Hình 3.3-8: Bộ nghịch lưu diode kẹp 3 mức. ............................................................44
Hình 3.3-9: Trạng thái, điện áp điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra .............45
Hình 3.3-10: Điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu 3L-NPC .....................46
Hình 3.3-11: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dòng điện tải iA > 0
...................................................................................................................................47
Hình 3.3-12: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dòng điện tải iA < 0
...................................................................................................................................47
Hình 3.3-13: Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 3 mức ........................................49
Hình 3.3-14: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P, iA>0 ..........................50
Hình 3.3-15: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P, iA<0 ..........................50
Hình 3.3-16: Bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cầu H nối tầng ...........................................52
Hình 3.3-17: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1=>4=>7=>14=>16, iA>0 .........53
Hình 3.3-18: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1=>4=>7=>14=>16, iA<0 .........54
Hình 3.4-1: Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 mức (3L-NPC). .............................................56
Hình 3.4-2: Phân vùng vector điện áp không gian của bộ nghịch lưu. .....................58

Hình 3.4-3: Phân chia các vùng và các vector cơ bản. .............................................58
Hình 3.4-4: Các vector điện áp vùng I. .....................................................................59

r
Hình 3.4-5: Ví dụ về quan hệ Vref và dwell time .....................................................61
Hình 3.4-6: Các khu vực được phân chia trong sector I. ..........................................61
Hình 3.4-7: Thứ tự chuyển mạch trong vùng I-4. .....................................................62
Hình 4.1-1: Bộ phát xung và inverter. ......................................................................68
Hình 4.2-1: Mô hình hệ thống. ..................................................................................69
Hình 4.2-2: Bộ điều chỉnh tốc độ. .............................................................................70
Hình 4.2-3: Bộ tính id*. ..............................................................................................70
Hình 4.2-4: Khối điều chỉnh dòng điện có bù chéo. .................................................71
Hình 4.2-5: Khối điều chế (phát xung). ....................................................................71
Hình 4.2-6: Khâu tạo điện áp ba pha. .......................................................................72

Hình 4.2-7: Khâu đổi tọa độ αβ. ...............................................................................72
Hình 4.2-8: Khâu xác định sector. ............................................................................72

 


Hình 4.2-9: Khâu chuyển đổi sector 1. .....................................................................72
Hình 4.2-10: Khâu Xác định tam giác điện áp. .........................................................73
Hình 4.2-11: Khâu tính thời gian tác động các van cơ bản.......................................73
Hình 4.2-12: Khâu tính toán thời gian chuyển mạch. ...............................................73
Hình 4.2-13: Khâu phát xung chuyển mạch. ............................................................74
Hình 4.3-1: Điện áp đầu ra pha A của bộ nghịch lưu. ..............................................75
Hình 4.3-2: Điện áp đầu ra pha A của bộ nghịch lưu sau lọc. ..................................75
Hình 4.3-3: Điện áp đầu ra 3 pha của bộ nghịch lưu sau lọc. ...................................76
Hình 4.3-4: Điện áp đầu ra ba pha của bộ nghịch lưu sau khi lọc ............................76

Hình 4.3-5: Hệ số méo dạng điện áp .........................................................................77
Hình 4.3-6: Đáp ứng tốc độ.......................................................................................77
Hình 4.3-7: Đáp ứng dòng điện Ia, Ib, Ic ....................................................................78
Hình 4.3-8: Hệ số méo dạng điện áp. ........................................................................78
Hình 4.3-9: Đáp ứng momen của động cơ. ...............................................................79

 


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3-1: Bảng trạng thái van ............................................................................. 33
Bảng 3.2: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của bộ nghịch lưu 3L-NPC .... 49
Bảng 3.3: Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-NPC
.............................................................................................................................. 52
Bảng 3.4: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 3L-FLC ............................ 53
Bảng 3.5: Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-FLC
.............................................................................................................................. 55
Bảng 3.6: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 5L-CHB ........................... 56
Bảng 3.7: Trạng thái của ba vector không ........................................................... 61
Bảng 3.8: Thời gian tác động của vector Vref trong vùng I .................................. 63
Bảng 3.9: Vector điện áp và các trạng thái chuyển mạch .................................... 63
Bảng 3.10: Thời gian và thứ tự chuyển mạch của các khóa trong vùng I-2a ...... 67
Bảng 3.11: Trình tự chuyển mạch giữa các vùng I~VI........................................ 68

 


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
EV

Electric Vehicle

Xe điện

4Q

Four(4) Quadrant

Bốn góc phần tư

DTC

Direct Power Control

Điều khiển trực tiếp công suất

FOC

Field Toque Control

Điều khiển tựa từ thông

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

D

Diode

Đi - ốt

DC-motor

Direct Current Motor

Động cơ điện một chiều

IM

Induction Motor

Động cơ không đồng bộ

BLDC

Brushless Direct Current

Động cơ một chiều không chổi

Motor

than

SRM

Switched Reluctance Motor

Động cơ từ trở

SPMSM

Surface Permanent Magnet

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh

Synchronous Motor

cửu cực tròn

Interior Permanent Magnet

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh

Synchronous Motor

cửu cực chìm

Insulated Gate Bipolar

Tranzito có cực điều khiển cách ly

IPMSM
IGBT

Transistor
GTO

Gate Turn-Off Thyristor

Thyristor khóa được bằng cực
điều khiển

MOSFET

Metal-Oxide-Semiconductor

Tranzito trường

Field-Effect Tranzitor
BJT

Bipolar Junction Transistor

 

Tranzito lưỡng cực


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, thực tế phát triển của ngành công nghiệp phải đối mặt với hai sự
thay đổi chính là nguồn năng lượng và bảo vệ môi trường. Công nghiệp phát triển
và nhu cầu đi lại gia tăng kéo theo hàng loạt phương tiện giao thông vận tải cũng
phát triển, khí thải từ các phương tiện giao gian tăng, theo số liệu ước tính khoảng
80% CO, 60% HC và 40% NOx trong bầu khí quyển sinh ra từ các phương tiện giao
thông, đặc biệt là ô tô. Để làm giảm khí thải có hại tới môi trường, các nhà khoa học
trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển hệ thống phương tiện giao thông phát sinh
ít khí thải, đó là ô tô điện, trong đó sử dụng động cơ điện thay thế động cơ đốt trong

sử dụng xăng dầu.
Động cơ điện là vấn đề then chốt khi nghiên cứu về ô tô điện. Có nhiều loại
động cơ điện có thể được sử dụng cho ô tô điện, tuy nhiên đáng chú ý và đang được
quan tâm nghiên cứu nhiều hiện nay là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực
chìm (IPM).
Động cơ IPM có nhiều ưu điểm vượt trội, khả năng sinh momen/dòng điện rất
cao, tuổi thọ lớn, kích thước gọn,… Nhưng để sử dụng được động cơ này cần phải
có bộ biến đổi hợp lý, đáp ứng được yêu cầu hoạt động của động cơ và phù hợp với
đặc điểm của ô tô điện.
Với mục đích nghiên cứu bộ biến đổi thích hợp với động cơ IPM ứng dụng
trong ô tô điện đã thôi thúc học viên lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu các bộ biến đổi
cho động cơ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) dùng trong ô tô điện”.
Đề tài được thực hiện gồm 04 chương:
Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện
Chương 2: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM)
Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả
Kết luận và đề xuất hướng phát triển đề tài

 


Trong quá trình thực hiện đề tài, trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, học viên đã
sử dụng công cụ mô phỏng Matlab/Simulink để tiến hành mô phỏng, phân tích,
đánh giá và so sánh các kết quả thu được. cuối cùng là kết luận về phương án lựa
chọn bộ biến đổi phù hợp cho động cơ IPM.
Do thời gian thực hiện đề tài hạn hẹp cũng như hạn chế về kiến thức và điều
kiện thực nghiệm, luận văn chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy,
học viên kính mong nhận được những lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các Thầy,
Cô để bản luận văn này được hoàn thiện hơn.

Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy giáo, PGS. TS. Tạ Cao
Minh đã hết lòng giúp đỡ và chỉ bảo tận tình cho học viên trong thời gian thực hiện
luận văn này. Nếu không có sự hướng dẫn nhiệt tình của Thầy thì chắc chắn học
viên không thể hoàn thành tốt luận văn được.
Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy giáo, Cô giáo của
Viện Đào Tạo Sau Đại Học đã tạo điều kiện hết sức thuận lợi để học viên có thể
hoàn thành luận văn đúng thời hạn.
Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2011
Học viên
Vũ Minh Vương

 


 


 


Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN
1.1. Lược sử phát triển của ô tô điện
Đứng trước những thách thức về vấn đề khí thải gây hiệu ứng nhà kính và khả
năng cạn kiệt các nguồn năng lượng tự nhiên dưới lòng đất như dầu mỏ, khí đốt,
than đá,… thế giới đang tích cực nghiên cứu thế hệ phương tiện tiếp theo sử dụng
năng lượng điện – xe điện (Electric Vehicle - EV), trọng tâm là ô tô điện. Ô tô điện
đã có lịch sử phát triển lâu đời, từ những năm 90 của thế kỷ trước đã trở thành trọng

điểm nghiên cứu của nhiều quốc gia, đơn vị, tổ chức và nhà khoa học.
Đầu năm 1820, Faraday đã phát hiện ra nguyên lý cảm ứng điện từ, khi phát
hiện ra khung dây mang dòng điện quay xung quanh từ trường của nam châm vĩnh
cửu. Đây là tiền đề cho việc phát minh ra nguyên lý chạy của động cơ điện sau này.
Chiếc xe điện đầu tiên được phát minh là chiếc xe mang tên xe Jedik, sản xuất
khoảng năm 1828, tại Hungary. Hiện nó đang được đặt tại bảo tàng của Hungary.

Hình 1.1-1: Mô hình chiếc xe điện đầu tiên trên thế giới.
Chiếc xe này chỉ có thể chạy được tối đa 4m/h và không thể mang theo bất kỳ
một tải trọng nào. Nhưng nó được coi là chiếc xe có dáng dấp của động cơ điện đầu
tiên trên thế giới. Năm 1831, Faraday phát minh ra nguyên lý hoạt động của động
cơ điện một chiều. Đây là nền tảng để các nhà phát minh tiếp tục con đường chế tạo

1 


Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

ô tô điện sau này. Năm 1838, một nhà phát minh người Scotland tên là Robert
Davidson xây dựng thành công đầu máy xe lửa chạy điện, nhưng tốc độ của nó chỉ
có thể đạt 6km/h và ông là người đầu tiên sử dụng pin không xạc lại cho xe điện.
Năm 1851, công nghệ sử dụng pin không xạc được các nhà chế tạo áp dụng,
dần dần tăng vận tốc và khả năng chịu tải của xe điện lên. Thời kỳ này vận tốc xe
điện tốt nhất đạt được là 19km/h. Năm 1865, nhà phát minh người Pháp tên là
Gaston Plante đã cải tiến khả năng lưu trữ của pin. Sau đó, ông cùng một đồng
nghiệp người Pháp tên là Camille Faure nâng cao khả năng lưu trữ của pin vào năm
1881, mở ra thời kỳ phồn thịnh cho phương tiện giao thông điện tử. Pháp và Anh là
những nước đầu tiên hỗ trợ việc phổ biến và phát triển phương tiện giao thông chạy
điện trong thế kỉ XIX. Năm 1899, một nhà phát minh người Bỉ tên là Camille
Jenatzy xây dựng thành công ô tô điện có tên: “La Jamais Contente”, đạt kỉ lục về

tốc độ tại thời điểm bấy giờ, 100km/h. Sau đó vào ngày 29 tháng 4 năm 1899, ông
còn đưa ra một phiên bản mới cho xe điện có hình dạng giống quả Rocket, có thể
chạy với vận tốc tối đa lên tới 105,88km/h. Năm 1900, có 4200 ô tô được bán ra thị
trường, trong đó có 40% là xe chạy bằng động cơ hơi nước, 38% xe chạy bằng động
cơ điện và 22% xe chạy bằng động cơ xăng dầu. Cũng trong năm này, một công ty
về xe điện của Pháp tên là B.G.S đã chế tạo thành công xe điện với tốc độ lớn nhất
có thể đạt là 64km/h, và có thể chạy được khoảng 150km sau mỗi lần sạc.

Hình 1.1-2: Camille Jenatzy trong chiếc Jamais Contente năm 1899.

2 


Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

Đầu thể kỉ XX là thời kỳ hoàng kim trong nền công nghiệp ô tô của nước Mỹ.
Các loại ô tô sử dụng động cơ hơi nước, động cơ điện, động cơ xăng dầu ngày càng
trở nên phổ biến. Nhưng ô tô điện là phương tiện có lợi thế hơn các đối thủ cạnh
tranh vì chúng không rung, không có tiếng ồn, không mùi, không cần cơ cấu sang
số cũng như phải chờ thời gian khởi động của các dòng xe khác. Giá thành của các
loại xe điện cũng rẻ hơn so với xe cùng loại. Lúc đó khoảng 3000$ một chiếc xe.
Những từ năm 1920 trở đi, ô tô điện dần dần vắng bóng, nhường chỗ cho sự
hưng thịnh của ô tô chạy bằng động cơ đốt trong.
Nguyên nhân của sự suy tàn này là do:
-

Hệ thống giao thông của nước Mỹ đã được cải thiện đáng kể giữa các thành
phố với nhau và cũng yêu cầu các xe chạy được đoạn đường dài nhất định.

-

Sự khám phá ra dầu thô ở Texas giúp giảm giá bán xăng và mang đến sự tiện
lợi cho người sử dụng.

-

Sự phát minh ra bộ khởi động cho động cơ xăng giúp giảm thời gian khởi
động của xe.

-

Trong giai đoạn đầu của sản xuất các động cơ đốt trong bởi công ty Ford đã
tạo ra hàng loạt các xe ô tô rộng rãi, giá cả phải chăng từ 500$ đến 1000$.
Trong khi các thiết bị điện, điện tử ngày càng tăng giá.

-

Sự hạn chế về khả năng sạc pin của ô tô điện ở các vùng khác nhau. Trong khi
xăng được bán phổ biến ở khắp mọi nơi.
Năm 1960, ô tô điện bắt đầu được quan tâm trở lại, nguyên nhân là do hiểm

họa môi trường mà động cơ đốt trong đem lại. Các công ty lớn của ngành ô tô như
General Motor và Ford đã đầu tư vào việc nghiên cứu và phát triển ô tô điện.
General Motor đã đầu tư cho chương trình ô tô điện được gọi là Electrovair và
Electrovan với hai dòng xe điện đặc biệt là Electrovair I (1964) và Electrovair II
(1966) có đặc trưng:
-

Động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha công suất 115kW

-

Pin với hai cực là Ag và Zn, điện áp định mức 512V

-

Tốc độ tối đa 128km/h

3 


Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

-

Khoảng cách đi được sau hai lần sạc liên tiếp khoảng 150km

-

Tăng tốc từ 0 – 100km/h mất 15,6s

-

Trọng lượng khoảng 1,5 tấn

Hình 1.1-3: Electrovair II (1966).
Năm 1998, sau nhiều lần thử nghiệm, General Motor giới thiệu phiên bản ô tô
điện đầu tiên đưa ra thị trường mang tên EV1, với hai cửa và có thể mang hai hành
khách.

Hình 1.1-4: Phiên bản EV1 của General Motor.
Trong phiên bản này, General Motor sử dụng:
-

Động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha công suất 137kW

4 


Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

-

Pin sử dụng là chì axit, điện áp định mức 312V

-

Tốc độ tối đa có thể 150km/h

-

Quãng đường đi được sau mỗi lần sạc khoảng 200km

-

Thời gian tăng tốc từ 0 – 100km/h khoảng 8,5s

-

Trọng lượng 1,3 tấn.

Cùng với sự đầu tư mạnh mẽ của General Motor, các hãng ô tô khác như

Toyota, Honda, Nissan, Tesla… cũng đầu tư rất mạnh vào thị trường đầy tiềm năng
này.
Hãng Toyota trong thập kỷ 90 của thế kỷ trước họ đã giới thiệu rất nhiều loại
xe điện và xe lai điện tiết kiệm nhiên liệu và đã trở thành nhà sản xuất xe điện hàng
đầu thế giới. Một số loại xe tiêu biểu như Toyota Prius, Toyota Rav4 – EV, Toyota
Hybrid,…
Về phía Việt Nam, tình hình xe điện nói riêng và ngành công nghiệp ô tô nói
chung chưa phát triển. Trong những năm qua, hầu hết các loại ô tô trong nước đều
nhập khẩu các linh kiện ở nước ngoài rồi về Việt Nam lắp ráp. Các loại xe điện hiện
nay mà nước ta có đang trong mức độ thử nghiệm. Một số đã được thương mại hóa
như xe đạp điện, còn lại vẫn còn trong giai đoạn trong phòng thí nghiệm. Chúng ta
chủ yếu chỉ sản xuất được xe đạp mang động cơ điện, xe lăn điện hoặc xe 3 bánh
điện. Còn những loại xe khác như xe máy điện hay ô tô điện thì hầu hết nhập khẩu
từ Trung Quốc hoặc nhập toàn bộ linh kiện từ nước ngoài về lắp ráp.
Do những lý do trên, yêu cầu phát triển một dòng xe điện mang thương hiệu
Việt Nam ngày càng cần thiết.
1.2. Những ưu điểm và điểm còn tồn tại của ô tô điện
Bằng việc dùng động cơ điện, ô tô điện có nhiều ưu điểm so với các loại xe
khác:
-

Khả năng điều khiển nhanh và chính xác momen: động cơ đốt trong có thời
gian đáp ứng momen khoảng 100-200ms trong khi động cơ điện cho đáp ứng
momen chỉ từ 1-2ms. Không những thế, momen của động cơ điện có thể được

5 

Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

điều khiển một cách chính xác, nhờ đó nâng cao tính an toàn cho cả xe và
người điều khiển.
-

Khả năng loại bỏ bộ truyền cơ khí, điều khiển độc lập các bánh xe: động cơ
điện có kích thước nhỏ gọn, có thể được tích hợp trực tiếp hoặc truyền động
cho từng bánh xe thông qua một bộ truyền với một tỉ số truyền duy nhất. Vì
thế, ta có thể loại bỏ bộ truyền truyền thống gồm: trục cardan, bộ ly hợp, bộ vi
sai, các bán trục cardan,… nhờ đó, giảm bớt kích thước và trọng lượng của xe.

-

Khả năng nâng cao chất lượng chuyển động bằng điều khiển động cơ: động cơ
điện dễ điều khiển và có hiệu suất cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong. Các
vấn đề trong chuyển động của xe như trượt, mất ổn định bên có thể được giải
quyết bằng khéo léo điều khiển động cơ điện, trong khi ở xe chạy động cơ đốt
trong, các vấn đề đó chỉ có thể được giải quyết bằng giải pháp cơ khí.

-

Không phát sinh khí thải, không rung ồn: một ưu điểm không thể chối cãi của
động cơ điện là nó không hề phát sinh khí thải – nhược điểm lớn nhất của
động cơ đốt trong. Bên cạnh đó, động cơ điện hoạt động êm, không rung ồn
làm cho xe điện chạy ổn định và không ồn như xe chạy động cơ đốt trong.

-

Tiết kiệm năng lượng: động cơ điện không những có thể hoạt động ở chế độ

động cơ mà còn có thể chạy ở chế độ máy phát. Điều này tạo ra khả năng tái
sinh năng lượng dư thừa về nguồn, qua đó góp phần tiết kiệm năng lượng cho
xe.
Tuy nhiên, xe điện cũng có những còn tồn tại:

-

Thời gian sạc pin lâu: vấn đề lớn nhất của xe điện hiện nay là thời gian sạc pin
quá lâu. Từ khi pin có thể sạc lại ra đời cách đây gần 200 năm đến nay, người
ta đã không ngừng nghiên cứu tìm cách rút ngắn thời gian này lại. Hiện nay,
thời gian ngắn nhất mà con người cần để sạc đầy pin là 10 phút – quá lâu so
với thời gian đổ đầy bình xăng.

-

Quãng đường chạy được trên một lần sạc hạn chế: dung lượng pin cũng là một
vấn đề lớn của xe điện. Hiện nay, xe điện chưa phổ biến nên vẫn chưa có các
trạm sạc pin công cộng trong khi dung lượng pin thì có hạn. Quãng đường dài

6 


Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

nhất mà xe điện chạy được ở thời điểm hiện tại khoảng 370km cho một lần sạc
đầy.
-

Trọng lượng pin lớn: cuối cùng, ngoài vấn đề dung lượng và thời gian sạc,
trọng lượng pin cũng là một vấn đề nhức nhối không kém. Trong những mẫu

xe hiện nay, trọng lượng pin chiếm gần một nửa trọng lượng cả xe, vượt quá
những gì nó tiết kiệm được từ việc loại bỏ bộ truyền cơ khí.
Người ta đang cố gắng cải tiến công nghệ chế tạo pin để tăng dung lượng,

giảm trọng lượng, rút ngắn thời gian sạc pin để từ đó kéo dài tầm hoạt động của xe.
Ngoài dùng pin, người ta đang nghiên cứu dùng một số nguồn năng lượng khác
như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, siêu tụ, pin nhiên liệu,… để nâng cao khả
năng lưu trữ và rút ngắn thời gian sạc.
Tuy nhiên, những nghiên cứu này vẫn đang còn trong phòng thí nghiệm và
vẫn chưa hoàn thiện để có thể triển khai trong thực tế.
1.3. Cấu tạo chung của một hệ truyền động ô tô điện

Hình 1.3-1: Cấu hình cơ bản của một hệ truyền động ô tô điện.

7 


Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

Một hệ thống truyền động trong xe điện ngày nay có hai thành phần cơ bản:
-

Nguồn năng lượng là thành phần di động ở dạng hóa năng hoặc điện năng.

-

Cơ cấu truyền lực được cung cấp duy nhất bởi động cơ điện.
Xe ô tô điện có các cấu hình: 1 động cơ, hai động cơ và bốn động cơ.
Hiện nay, những mẫu xe điện phổ biến trên thị trường thường dùng cấu hình

một động cơ điện và sử dụng nguồn điện một chiều từ ắc quy. Cấu hình này rất đơn
giản và dễ chế tạo nhưng không phát huy được hết ưu điểm của xe điện. Khả năng
sinh momen nhanh và chính xác của động cơ điện không được tận dụng tối đa; khả
năng tái sinh năng lượng bị hạn chế; không tiết kiệm được không gian cho xe.
Ngoài ra, việc có thêm bộ truyền động cơ khí nặng nề làm tăng trọng lượng của xe,
qua đó, tăng công suất của động cơ. Cấu hình này sẽ dần dần được thay thế bởi cấu
hình ô tô điện 2 động cơ (ở hai bánh) và 4 động cơ (ở bốn bánh) trong tương lai.
Ở các cấu hình như vậy, động cơ truyền động trực tiếp cho bánh xe. Các động
cơ được điều khiển độc lập, hoạt động của chúng được điều phối qua một máy tính
trung tâm, bảo đảm tính ổn định và an toàn trong chuyển động của xe. Bên cạnh đó,
việc tích hợp các động cơ đến từng bánh xe sẽ loại bỏ cấu hình bộ truyền cơ khí,
giảm bớt trọng lượng của xe, qua đó, giảm bớt công suất động cơ, giảm bớt giá
thành cho xe.
1.4. Các động cơ điện có thể sử dụng trong ô tô điện
Hệ truyền động sử dụng động cơ điện là trái tim của ô tô điện. Hiện nay,
những loại động cơ sau có khả năng áp dụng làm động cơ truyền động cho xe điện:
động cơ một chiều (DC), động cơ không đồng bộ (IM), động cơ từ trở (SRM), động
cơ một chiều không chổi than (BLDC), động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm
(IPM).
Ưu, nhược điểm, khả năng ứng dụng và lựa chọn động cơ được luận giải cơ
bản như sau:
Động cơ một chiều (DC motor): động cơ DC có ưu điểm nổi bật là rất dễ
điều khiển, hiệu suất cao. Khi công nghệ bán dẫn và kĩ thuật điều khiển chưa phát
triển, động cơ DC là sự lựa chọn hàng đầu cho những ứng dụng cần điều khiển tốc

8 


Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

độ, moomem. Nhược điểm của động cơ DC là cần bộ vành góp, chổi than có tuổi
thọ thấp, đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên, không phù hợp với điều kiện
nóng ẩm, bụi bặm. Khi công nghệ bán dẫn, kĩ thuật điều khiển phát triển mạnh,
động cơ DC dần bị thay thế bởi các loại động cơ khác.
Động cơ không đồng bộ (Induction motor – IM): động cơ IM có ưu điểm rẻ
tiền, thông dụng, dễ chế tạo. Với kĩ thuật hiện nay, hoàn toàn có thể thực hiện các
thuật toán điều khiển vector tiên tiến cho động cơ IM, đáng ứng các yêu cầu công
nghệ cần thiết. Nhược điểm của động cơ IM là có hiệu suất thấp nhất trong các loại
động cơ kể trên, đặc biệt khi chạy ở vùng tốc độ thấp. Các hãng xe của Hoa Kỳ như
GM phần lớn sử dụng động cơ IM làm động cơ truyền động, lý do là xe của Mỹ chủ
yếu chạy trên đường cao tốc, khoảng cách dài, đường trong đô thị cũng rộng và
thoáng; khi đó động cơ IM sẽ phát huy được tối đa hiệu suất của mình, tổn thất
không lớn. Ở Việt Nam, đường của chúng ta chủ yếu là nhỏ, hẹp, đông đúc, xe chạy
ở tốc độ thấp và hay phải dừng, đỗ. Với môi trường hoạt động như vậy, động cơ IM
sẽ phải thường xuyên chạy ở tốc độ dưới định mức gây hiệu suất thấp, momen khởi
động nhỏ không tốt khi cần khởi động nhiều, không thể phát huy tối đa hiệu suất và
gây ra tổn thất lớn.
Động cơ từ trở (Switched Reluctance Motor - SRM): động cơ từ trở có cấu
tạo chắc chắn, đơn giản, kích thước nhỏ, không có chổi than và vành góp, dây quấn
chỉ có ở stator, không có dây quấn hay nam châm ở rotor do vậy tiết kiệm được vật
liệu. Hơn nữa dây chỉ quấn quanh một cực và không bị phân tán như trong các động
cơ xoay chiều khác nên rõ ràng kinh tế hơn, giá thành thấp. Do có cấu tạo rất chắc
chắn, đơn giản và phần lớn tổn hao trên stator nên việc làm mát dễ dàng, có thể làm
việc tốt trong môi trường khắc nghiệt, nhiệt độ cao, rung động, mắt khác không có
nam châm vĩnh cửu nên nhiệt độ cho phép và tuổi thọ của động cơ cao hơn các
động cơ khác. Động cơ SRM có thể hoạt động trên cả bốn góc phần tư, momen hiệu
xuất cao do tỷ lệ với bình phương dòng điện, khả năng làm việc với tốc độ cao đến
100000v/phút .Tuy nhiên: momen đập mạch lớn, khi hoạt động gây ra nhiều tiếng
ồn, động cơ từ trở rất phức tạp trong vận hành và không thể đơn giản cấp điện cho

9 


Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

dây quấn stato và động cơ sẽ quay như các loại động cơ khác. Hiện nay SRM mới
chỉ dừng lại ứng dụng cạnh tranh trong một số ít lĩnh vực công suất trung bình trở
xuống.
Động cơ một chiều không chổi than (BLDC): động cơ BLDC có đặc tính cơ
giống động cơ một chiều, mật độ công suất/khối lượng lớn, khả năng sinh momen
cao. Nhược điểm cơ bản của động cơ BLDC là có nhấp nhô momen lớn, xuất hiện 6
xung momen trong 1 chu kỳ, tuy nhiên, có thể sử dụng các thuật toán điều khiển để
giảm nhấp nhô momen. Với những ưu điểm của mình, động cơ BLDC được sử
dụng nhiều bởi các hãng xe của Nhật Bản và Hàn Quốc. Đây cũng là loại động cơ
có nhiều tiềm năng ứng dụng cho xe điện và có thể được nghiên cứu thiết kế, chế
tạo tại Việt Nam.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (Interior Permanent
Magnet Motor – IPM): động cơ IPM có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng
dụng cho xe điện. Động cơ nam châm vĩnh cửu thông thường có nam châm được
gắn trên bề mặt rotor (SPM) vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt. Động cơ IPM có
nam châm được gắn chìm bên trong rotor, dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc
trục và điện cảm ngang trục, từ đó tạo khả năng sinh momen từ trở cộng thêm vào
momen vốn có của động cơ. Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả năng sinh
momen/dòng điện rất cao, đặc biệt phù hợp cho xe điện. Mặc dù động cơ IPM hiện
nay có giá thành rất cao do chưa được sản xuất hàng loạt rộng rãi và còn đang trong
quá trình hoàn thiện nghiên cứu về cấu trúc, nhưng đây là động cơ phù hợp nhất để
sử dụng cho xe điện hiện nay và tương lai.

10 

Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

11