Thiết kế bộ ước lượng tốc độ cho điều khiển chuyển động ô tô điện

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

----------------------------------ĐÀO THỊ MAI PHƯƠNG

THIẾT KẾ BỘ ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ CHO ĐIỀU
KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ÔTÔ ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. TẠ CAO MINH

Hà Nội - 2010


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Viện đào tạo Sau đại học, Bộ môn Tự động
hóa XNCN thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho tôi trong quá trình tôi thực hiện luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. TẠ CAO MINH, người đã định
hướng và tận tình chỉ bảo, hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành bản luận văn tốt nghiệp
này.
Cuối cùng tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã
động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình tôi
học tập và nghiên cứu.

Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010
Đào Thị Mai Phương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình
nào.
Học viên

Đào Thị Mai Phương


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1.
1.1.

TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ ĐIỆN .............................................................1

Ôtô dùng động cơ đốt trong và ôtô dùng động cơ điện.....................................1

1.1.1. Ôtô sử dụng động cơ đốt trong ......................................................................1
1.1.2. Ôtô sử dụng động cơ điện..............................................................................7
1.1.3. Ưu điểm và lợi ích của ôtô điện...................................................................11
1.2.

Các loại động cơ dùng cho ôtô điện ................................................................12

1.2.1. Đánh giá chung về động cơ điện một chiều ................................................13
1.2.2. Đánh giá chung về động cơ điện xoay chiều không đồng bộ......................15
1.3.

Các bộ biến đổi dùng cho ôtô điện..................................................................16

1.3.1. Bộ biến đổi công suất cho truyền động động cơ điện một chiều ................17
1.3.2. Bộ biến đổi công suất cho truyền động động cơ điện xoay chiều ...............18
CHƯƠNG 2.

MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ÔTÔ ĐIỆN .........................................19

2.1.

Hiện tượng trượt trong ôtô điện ......................................................................19

2.2.

Mô hình động lực học của ôtô điện trong điều khiển lực kéo.........................20

2.3.

Mô hình động lực học lực bên của ôtô điện ....................................................27


CHƯƠNG 3.
3.1.

ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO ĐỘ BÁM ĐƯỜNG CHO ÔTÔ ĐIỆN..30

Phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu....................................................30

3.1.1. Nguyên tắc điều khiển theo mô hình mẫu ...................................................30
3.1.2. Phương pháp mô hình mẫu áp dụng cho ôtô điện .......................................32
3.1.3. Kết quả mô phỏng theo phương pháp MFC ................................................33
3.2.

Phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt......................................................38

3.2.1. Nguyên tắc điều khiển tối ưu tỷ số trượt .....................................................38
3.2.2. Mô hình ôtô điện trong phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt ............39
3.2.3. Vấn đề ước lượng điều kiện mặt đường ......................................................41
3.2.4. Thiết kế bộ điều chỉnh tỷ số trượt................................................................42
CHƯƠNG 4.

ƯỚC LƯỢNG VẬN TỐC THÂN XE, CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG

ĐIỀU KHIỂN ..............................................................................................................48
4.1.

Vấn đề ước lượng vận tốc thân xe...................................................................48

4.2.

Ước lượng vận tốc thân xe dùng bộ lọc Kalman.............................................48

4.2.1. Giới thiệu về bộ lọc Kalman........................................................................48
4.2.2. Thiết kế bộ lọc Kalman cho EV ..................................................................53

KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MFC:

Model Following Control

OSRC:

Optimal Slip Ratio Control

MRAS :

Model Reference Adaptive System

EV:

Electic Vehicle

FRL:

Fuzzy Rule Logic

KF:

Kalman Filter

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Các tham số µ = f(λ) .........................................................................................26
Bảng 2. Qui ước các biến ...............................................................................................54
Bảng 3. Bảng luật mờ.....................................................................................................58


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Bộ khung của một ôtô…………………………………………………… 1
Hình 1.2. Động cơ đốt trong và người sáng lập ra chiếc ôtô đầu tiên……………... 3
Hình 1.3. Cấu trúc của ôtôđiện…………………………………………………….. 9
Hình 2.1. Đặc tính của lực truyền động và lực bên………………………………... 20
Hình 2.2. Mô hình tổng quát truyền động cho xe điện……………………………... 20
Hình 2.3. Phân tích động lực học xe điện…………………………………………. 21
Hình 2.4. Đặc tính µ − λ ………………………………………………………….. 22
Hình 2.5. Mô hình ôtô điện xây dựng trên Matlab – Simulink……………………. 24
Hình 2.6. Khối tính toán tỷ số trượt……………………………………………….. 25
Hình 2.7. Mô phỏng đặc tính µ = f (λ ) dựa vào Lookup Table…………………... 25
Hình 2.9. Sơ đồ tính toán lực cản không khí Fa(V)………………………………... 27
Hình 2.10. Mô hình thay thế ôtô hai bánh………………………………………….. 28
Hình 3.1. Nguyên tắc điều khiển theo mô hình mẫu………………………………. 31
Hình 3.2. Các tín hiệu thực và mẫu của hệ chính xác………………………………32
Hình 3.3. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu – MFC……. 33
Hình 3.4. Sơ đồ khối mô phỏng theo phương pháp MFC…………………………. 34
Hình 3.5. Sơ đồ cụ thể của khối MFC…………………………………………….. 35
Hình 3.6. Sơ đồ khối tính toán tỷ số trượt…………………………………………. 36
Hình 3.7. Sơ đồ khối tính toán J, Jmodel …………………………………………..36
Hình 3.8. Kết quả mô phỏng của phương pháp MFC……………………………. 37
Hình 3.9. Sơ đồ khối nguyên tắc điều khiển tối ưu tỷ số trượt …………………….38
Hình 3.10. Cấu trúc của bộ điều chỉnh tỷ số trượt…………………………………. 39
Hình 3.11. Mô hình động lực học ôtô ………………………………………………40

Hình 3.12. Ước lượng các điều kiện mặt đường khác nhau……………………….. 42


Hình 3.13. Sơ đồ bộ điều khiển tỷ số trượt………………………………………… 43
Hình 3.14. Tỷ số trượt tối ưu thông thường được xác định khi α = 1………………44
Hình 3.15. Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng theo phương pháp tối ưu hệ số trượt …..45
Hình 3.16. Sơ đồ khối Vehicle model với đầy đủ các tham số ……………………..45
Hình 3.17. Sơ đồ khối Slip ratio controller ………………………………………..46
Hình 3.18. Dạng tỷ số trượt tối ưu dùng để mô phỏng …………………………….46
Hình 3.19. Kết quả mô phỏng khi λopt = 0,1 ………………………………………..47
Hình 3.20. Kết quả mô phỏng khi λopt thay đổi từ 0,2 → 0,1 ……………………..47
Hình 4.1. Chu kỳ làm việc của bộ lọc Kalman rời rạc đang tiếp diễn……………… .51
Hình 4.2. Sơ đồ hoạt động của bộ lọc ………………………………………………..53
Hình 4.3. Mô hình EV với các cảm biến đo tốc độ, gia tốc …………………………53
Hình 4.4. Cấu trúc cơ bản thuật toán ước lượng vận tốc thân xe…………………….55
Hình 4.5. Hình vẽ mô phỏng tổng thể ………………………………………………...59
Hình 4.6. Cấu trúc bộ lọc K1 ……………………………………………………….59
Hình 4.7. Cấu trúc bên trong của khâu Process ……………………………………..59
Hình 4.8. Cấu trúc bên trong của bộ lọc Kalman ……………………………………..60
Hình 4.9. Cấu trúc bên trong khâu FLC …………………………………………….60
Hình 4.10. Cấu trúc bên trong khâu R_FLC …………………………………………61
Hình 4.11. Hàm liên thuộc cho đầu vào in_a khâu R_FLC …………………………..61
Hình 4.12. Hàm liên thuộc cho đầu vào in_v khâu R_FLC …………………………..61
Hình 4.13. Luật mờ cho khối R_FLC ………………………………………………...62
Hình 4.14. Surface cho khối R_FLC ………………………………………………...62
Hình 4.15. Cấu trúc và luật mờ cho khối Q_FLC ……………………………………64
Hình 4.16. Cấu trúc và luật mờ cho khối P_FLC …………………………………… 64
Hình 4.17. Đồ thị tốc độ và vị trí EV khi bắt đầu chuyển động ……………………..65
Hình 4.18. Các đồ thị tốc độ trong quá trình thay đổi tốc độ ………………………...66

MỞ ĐẦU
Lĩnh vực ôtô điện đã ra đời và phát triển trên thế giới từ hàng trăm năm nay. Tuy
nhiên, gần đây, ôtô điện mới thực sự phát triển mạnh mẽ xuất phát từ nhu cầu giải
quyết các vấn đề về cạn kiệt nguồn năng lượng, vấn đề ô nhiễm môi trường…do ôtô
chạy bằng động cơ đốt trong gây ra và để tận dụng các ưu điểm nổi bật của động cơ
điện là khả năng sinh momen nhanh chóng và chính xác. Với những thành tựu đã thu
được, ôtô điện hứa hẹn sẽ thay thế hoàn toàn ôtô chạy xăng dầu trong tương lai.
Trong thời gian học tập và làm luận văn, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo,
PGS.TS. Tạ Cao Minh, tác giả đã thực hiện đề tài: “Thiết kế bộ ước lượng tốc độ cho
điều khiển chuyển động ôtô điện”. Đây là một đề tài mới, đề xuất các phương pháp
điều khiển hiệu quả cho ôtô điện và có thể được chuyển giao công nghệ trong tương
lai. Đề tài được hoàn thành do sự nỗ lực, phấn đấu của bản thân, sự hướng dẫn, chỉ bảo
trực tiếp, tận tình và chu đáo của PGS.TS. Tạ Cao Minh. Bên cạnh đó, sự góp ý của
thầy cô trong bộ môn đã giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá trình làm luận văn. Tác giả
xin gửi đến thầy giáo, PGS.TS. Tạ Cao Minh lời cảm ơn chân thành, sâu sắc và biết ơn
nhất. Tác giả cũng xin cảm ơn tất cả thầy cô trong bộ môn Tự động hóa XNCN và các
đồng nghiệp đã động viên để tác giả có thể hoàn thành luận văn thạc sĩ khoa học này.
Nội dung của luận văn thạc sĩ khoa học được chia thành bốn chương:
Chương 1:

Tổng quan về ôtô điện

Chương 2:

Mô hình động lực học của ôtô điện

Chương 3:

Điều khiển nâng cao độ bám đường cho ôtô điện

Chương 4:

Ước lượng vận tốc thân xe, cải thiện chất lượng điều khiển

Mặc dù bản thân đã nỗ lực rất nhiều nhưng do thời gian có hạn và trình độ còn hạn
chế nên luận văn này chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Tác giả chân thành đón mong
những lời góp ý, đánh giá của thầy cô và đồng nghiệp.


Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010

Đào Thị Mai Phương


Chương 1. Tổng quan về ôtô điện

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ ĐIỆN

1.1. Ôtô dùng động cơ đốt trong và ôtô dùng động cơ điện
1.1.1. Ôtô sử dụng động cơ đốt trong
Ôtô là một loại phương tiện giao thông đã có từ lâu và ngày càng trở nên không
thể thiếu được trong đời sống của con người. Chiếc ôtô đã quá quen thuộc với
chúng ta nhưng cũng ít người để ý đến định nghĩa chính xác của nó. Theo từ điển
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia [9]: “Một chiếc ôtô hay xe hơi là một loại
phương tiện (xe) chạy bằng bánh có chở theo động cơ của chính nó”. Các kiểu khác
nhau của ôtô gồm các loại xe như xe buýt, xe tải và các loại xe ôtô con là thông
dụng nhất. Thuật ngữ ôtô được dùng rất nhiều và nó xuất phát từ từ “autos” (tự nó)

trong tiếng Hy Lạp và từ “move’re” (di chuyển) trong tiếng Latinh, chỉ một vật “tự
di chuyển”. Các thuật ngữ ban đầu chỉ những thứ tự di chuyển được (ôtô) gồm “xe
không ngựa” và “xe có động cơ”. Tới năm 2005 có khoảng 600 triệu xe hơi trên
khắp thế giới (trung bình 0,074 chiếc trên một đầu người).
Khi lần đầu tiên ra mắt, ôtô được hoanh nghênh như một phương tiện cải tiến về
môi trường so với ngựa. Trước khi nó ra mắt, ở Thành phố New York, hơn 10.000
tấn phân hàng ngày được dọn khỏi các đường phố. Tuy nhiên, năm 2006, các ôtô là
một trong những nguồn gây ô nhiễm không khí và tiếng ồn cũng như ảnh hưởng tới
sức khoẻ trên khắp thế giới [9].

a) Ôtô sử dụng động cơ đốt trong đầu
b) Ôtô sử dụng động cơ xăng của
thế kỷ 20
Toyota đầu thế kỷ 21
Hình 1.1. Bộ khung của một ôtô

1


Chương 1. Tổng quan về ôtô điện

Đa số ôtô có từ 4 bánh trở lên, sử dụng động cơ đốt trong để tiêu thụ nhiên liệu (như
xăng, dầu Diesel, hay các nhiên liệu hóa thạch hay nhiên liệu sinh học khác) nhằm
sinh ra momen quay ở bánh xe giúp cho nó có thể di chuyển trên đường bộ. Các ôtô
sử dụng động cơ đốt trong thường có thêm hệ thống nhiên liệu, hệ thống khởi động,
phát điện...
Ôtô hiện đại còn có hệ thống dẫn lái, hệ thống treo (hệ thống giảm xóc), hệ thống
chiếu sáng ôtô, hệ thống điều hòa không khí, hay các hệ thống đảm bảo an toàn cho
người sử dụng như túi khí (airbag), hệ thống chống bó phanh...
Chiếc xe ôtô chạy bằng động cơ xăng (động cơ Otto) được Karl Benz phát minh ra

ở Đức năm 1885. Mặc dù Karl Benz được công nhận là người sáng tạo ra chiếc ôtô
hiện đại, nhiều kỹ sư người Đức khác cũng đã làm việc để chế tạo ra những chiếc
ôtô khác trong cùng thời gian. Các nhà phát minh đó là: Karl Benz, người được cấp
một bằng sáng chế ngày 29 tháng 1 năm 1886 ở Mannheim cho chiếc ôtô ông chế
tạo năm 1885, Gottlieb Daimler và Wilhelm Maybach ở Stuttgart năm 1886 (cũng
là những nhà phát minh ra chiếc xe mô tô đầu tiên), và năm 1888/89 nhà phát minh
người Đức-Áo Siegfried Marcus ở Viên, mặc dù Marcus không đạt tới giai đoạn
thực nghiệm [9].
Năm 1806 Fransois Isaac de Rivaz, một người Thuỵ Sỹ, đã thiết kế ra chiếc
động cơ đốt trong (hiện nay thỉnh thoảng được viết tắt là "ICE") đầu tiên. Sau đó,
ông dùng nó để phát triển ra loại phương tiện đầu tiên trên thế giới chạy bằng động
cơ sử dụng một hỗn hợp hydro và oxy để phát ra năng lượng. Thiết kế này không
thành công lắm, cũng giống như trường hợp nhà phát minh người Anh Samuel
Brown, và nhà phát minh người Mỹ, Samuel Morey, những người đã chế tạo ra
những phương tiện có động lực từ các động cơ đốt trong kềnh càng vào khoảng năm
1826.
Etienne Lenoir đã chế tạo thành công một động cơ đốt trong đứng yên năm
1860, và trong vòng vài năm, khoảng bốn trăm chiếc như vậy đã hoạt động ở Paris.
Khoảng tới năm 1863, Lenoir đã lắp cái động cơ của ông lên một chiếc xe. Có lẽ
động cơ của nó dùng nhiên liệu từ các bình gas thắp đèn thành phố, và Lenoir đã

2


Chương 1. Tổng quan về ôtô điện

nói rằng nó “chạy chậm hơn một người đi bộ, và luôn luôn gặp trục trặc”. Trong
bằng sáng chế năm 1860 của mình, Lenoir đã thêm vào một cái chế hoà khí
(carburettor), nhờ thế nhiên liệu lỏng có thể được dùng để thay thế cho khí gas, đặc
biệt cho các mục đích chuyển động của phương tiện. Lenoir được cho rằng đã thử

nghiệm nhiên liệu lỏng, như cồn, vào các động cơ đứng yên của mình; nhưng không
có vẻ rằng ông đã dùng các động cơ đó để lắp lên xe của mình. Nếu ông làm thế,
chắc chắn ông không dùng xăng, bởi vì nó chưa tiện dụng vào lúc ấy và bị coi là
một sản phẩm phụ bỏ đi.

a) Động cơ đốt trong bốn thì

b) Karl Benz – người sáng lập ra
ôtô đầu tiên năm 1885
Hình 1.2. Động cơ đốt trong và người sáng lập ra chiếc ôtô đầu tiên
Cải tiến tiếp sau xảy ra cuối thập kỷ 1860, với Siegfried Marcus, một người Đức
làm việc ở Viên, Áo. Ông đã phát triển ý tưởng sử dụng xăng làm nhiên liệu cho
động cơ đốt trong hai kỳ. Năm 1870, sử dụng một xe đẩy tay đơn giản, ông đã chế
tạo một phương tiện thô không có chỗ ngồi, thiết bị lái, hay phanh, nhưng nó rất
đáng chú ý ở một điểm: nó là phương tiện lắp động cơ đốt trong đầu tiên trên thế
giới sử dụng nhiên liệu xăng. Nó được đem ra thử nghiệm ở Viên tháng 9, 1870 và
bị xếp xó. Năm 1888 hay 1889, ông chế tạo một cái ô tô thứ hai, cái này có ghế

3


Chương 1. Tổng quan về ôtô điện

ngồi, phanh và thiết bị lái và được lắp một động cơ đốt trong bốn kỳ do chính ông
thiết kế. Thiết kế này có thể đã được đem ra thử nghiệm năm 1890. Mặc dù ông có
được các bằng sáng chế cho nhiều phát minh của mình, ông không bao giờ xin cấp
bằng phát minh cho các thiết kế ở thể loại này.
Động cơ đốt trong bốn thì đã được thu thập tài liệu và đưa ra xin cấp bằng phát
minh vào năm 1862 bởi một người Pháp là Beau de Rochas trong một cuốn sách
mỏng và dài dòng. Ông đã in khoảng ba trăm bản sách đó và chúng được đem phân

phát ở Paris, nhưng không mang lại điều gì, và bằng sáng chế này cũng nhanh
chóng hết hạn sau đó – còn cuốn sách thì hoàn toàn bị lãng quên. Trên thực tế, sự
hiện diện của nó không được biết tới và Beau de Rochas không bao giờ chế tạo một
động cơ riêng biệt.
Đa số các nhà sử học đồng ý rằng Nikolaus Otto người Đức đã chế tạo ra chiếc
động cơ bốn thì đầu tiên dù bằng sáng chế của ông bị bác bỏ. Ông không hề biết gì
về bằng sáng chế hay ý tưởng của Beau de Rochas và hoàn toàn tự mình nghĩ ra ý
tưởng đó. Thực tế ông đã bắt đầu suy nghĩ về khái niệm này năm 1861, nhưng đã bỏ
rơi nó cho tới giữa thập kỷ 1870.
Có một số bằng chứng, dù chưa được xác định, rằng Christian Reithmann, một
người Áo sống ở Đức, đã chế tạo ra một chiếc động cơ bốn thì hoàn toàn dựa trên ý
tưởng của mình năm 1873. Reithmann đã thực nghiệm các động cơ đốt trong ngay
từ đầu năm 1852.
Năm 1883, Edouard Delamare-Deboutteville và Leon Malandin nước Pháp [9]
đã lắp một động cơ đốt trong dùng nhiên liệu là một bình khí gas đốt đèn thành phố
lên một chiếc xe ba bánh. Khi họ thử nghiệm thiết bị này, chiếc vòi bình gas bị hở,
gây ra một vụ nổ. Năm 1884, Delamare-Deboutteville và Malandin chế tạo và xin
cấp bằng sáng chế cho một phương tiện thứ hai. Chiếc xe này gồm một động cơ bốn
thì dùng nhiên liệu lỏng lắp trên một cái xe ngựa bốn bánh cũ. Bằng sáng chế, và có
lẽ cả chiếc xe, chứa nhiều cải tiến, và một số cải tiến đó còn được ứng dụng trong
nhiều thập kỷ tiếp theo. Tuy nhiên, trong lần thử nghiệm đầu tiên, cái khung rời ra,
và chiếc xe “rung lắc và rời ra từng mảnh” theo đúng nghĩa đen, theo lời thuật lại

4


Chương 1. Tổng quan về ôtô điện

của Malandin. Hai người này không chế tạo tiếp các xe khác nữa. Dự án kinh doanh
của họ không được nhắc tới và bằng sáng chế cũng không được sử dụng. Những

kinh nghiệm, thực nghiệm của họ bị lãng quên trong nhiều năm sau.
Có lẽ, cuối thập kỷ 1870, một người Italia tên là Murnigotti đã xin cấp bằng phát
minh cho ý tưởng lắp đặt một động cơ đốt trong lên trên một loại phương tiện, dù
không có bằng chứng là đã từng chế tạo được một thứ như thế. Năm 1884, Enrico
Bernardi, một người Italia khác đã lắp một động cơ đốt trong lên chiếc xe ba bánh
của con ông. Dù nó đơn giản chỉ là một thứ đồ chơi, có thể nói rằng về mặt nào đó
nó đã hoạt động khá thành công, nhưng một số người cho rằng động cơ quá yếu để
có thể làm chiếc xe di chuyển được.
Tuy nhiên, nếu tất cả những cuộc thực nghiệm trên không diễn ra, có lẽ sự phát
triển của xe hơi sẽ không thể nhanh chóng như vậy bởi vì có nhiều cuộc thực
nghiệm không được biết tới và chúng không bao giờ tiến tới được giai đoạn thử
nghiệm. Ôtô dùng động cơ đốt trong thực sự có thể cho là đã bắt đầu ở Đức với
Karl Benz năm 1885, và Gottlieb Daimler năm 1889, vì những chiếc xe của họ
thành công nên họ có thể đưa vào sản xuất hàng loạt, và họ bị ảnh hưởng lẫn nhau.
Karl Benz bắt đầu xin những bằng phát minh mới về động cơ năm 1878. Ban
đầu ông tập trung nỗ lực vào việc tạo ra một động cơ hai thì dùng nhiên liệu gas dựa
trên thiết kế của Nikolaus Otto về loại động cơ bốn thì. Một bằng sáng chế về thiết
kế của Otto đã bị bác bỏ. Karl Benz hoàn thành chiếc động cơ của mình vào đêm
giao thừa và được cấp bằng phát minh cho nó năm 1879. Karl Benz chế tạo chiếc
ôtô ba bánh đầu tiên của mình năm 1885 và nó được cấp bằng ở Mannheim, đề
ngày tháng 1, 1886. Đây là -“chiếc ôtô đầu tiên được thiết kế và chế tạo theo đúng
nghĩa”- chứ không phải là một cái xe ngựa, tàu, hay xe kéo được chuyển đổi. Trong
số những thiết bị mà Karl Benz phát minh cho xe hơi có chế hoà khí, hệ thống điều
chỉnh tốc độ cũng được gọi là chân ga, đánh lửa sử dụng các tia lửa điện từ một ắc
quy, bugi, khớp ly hợp, sang số, và làm mát bằng nước. Ông đã chế tạo thêm các
phiên bản cải tiến năm 1886 và 1887 – đưa vào sản xuất năm 1888 - chiếc xe đầu
tiên trên thế giới được đưa vào sản xuất. Gần hai nhăm chiếc đã được chế tạo ra

5

Chương 1. Tổng quan về ôtô điện

trước năm 1893, khi chiếc xe bốn bánh của ông được đưa ra giới thiệu. Chúng được
lắp các động cơ bốn thì theo thiết kế của riêng ông. Emile Roger nước Pháp, đã chế
tạo các động cơ của Benz dưới bằng phát minh của ông, và lúc ấy cũng đưa ôtô của
Benz vào dây chuyền sản xuất của mình. Bởi vì Pháp là nơi có thái độ chấp nhận
hơn với những chiếc ôtô đầu tiên, nói chung ôtô được chế tạo và bán ở Pháp qua
Roger nhiều hơn số lượng của Benz lúc ban đầu ở chính nhà máy của ông ở Đức.
Gottlieb Daimler, năm 1886, lắp động cơ bốn thì của mình lên một chiếc xe ngựa ở
Stuttgart. Năm 1889, ông chế tạo hai chiếc xe có thể coi là những chiếc ô tô với rất
nhiều cải tiến. Từ 1890 đến 1895 khoảng ba mươi chiếc đã được Daimler và người
trợ lý sáng tạo của ông là Wilhelm Maybach, chế tạo ở cả các xưởng của Daimler
hay tại Hotel Hermann, nơi họ lập ra một phân xưởng sau khi những người hỗ trợ
rút lui. Hai người Đức đó, Benz và Daimler, dường như không biết tới công việc
của nhau và làm việc độc lập. Daimler chết năm 1900. Trong thời chiến tranh thế
giới thứ nhất, Benz đề xuất hợp tác giữa hai công ty do hai người lập ra, nhưng mãi
tới năm 1926 hai công ty mới hợp nhất dưới cái tên Daimler-Benz với cam kết sẽ
cùng tồn tại dưới tên này cho tới tận năm 2000.
Năm 1890, Emile Levassor và Armand Peugeot nước Pháp bắt đầu sản xuất
hàng loạt các phương tiện gắn động cơ của Daimler, và từ đó mở ra nền tảng ban
đầu cho công nghiệp ôtô ở Pháp. Chúng đều bị ảnh hưởng từ chiếc Stahlradwagen
của Daimler năm 1889, từng được triển lãm ở Paris năm 1889.
Chiếc ôtô Hoa Kỳ đầu tiên bằng động cơ đốt trong chạy nhiên liệu gas có lẽ đã
được thiết kế năm 1877 bởi George Baldwin Selden ở Rochester, New York, ông đã
xin cấp một bằng sáng chế cho một chiếc ôtô năm 1879. Selden không hề chế tạo
một chiếc ôtô riêng biệt cho tới tận năm 1905, khi ông bị bắt buộc phải làm thế,
theo luật. Selden nhận được bằng phát minh của mình và sau đó kiện Ford Motor
Company vì vi phạm bằng phát minh của mình. Henry Ford hiển nhiên là chống đối
lại hệ thống cấp bằng sáng chế Hoa Kỳ và trường hợp của Selden kiện Ford đã phải

đưa lên Toà án tối cao, toà phán rằng Ford, và bất kỳ người nào khác, tự do chế tạo

6


Chương 1. Tổng quan về ôtô điện

ôtô mà không cần trả tiền cho Selden, bởi vì công nghệ ôtô đã phát triển mạnh từ
khi Selden được cấp bằng và không ai còn chế tạo ôtô theo thiết kế của ông nữa.
Trong lúc ấy, những cải tiến quan trọng trong lĩnh vực năng lượng hơi nước ở
Birmingham, England bởi Lunar Society đã xảy ra. Ở nước Anh, thuật ngữ sức
ngựa được đem ra sử dụng lần đầu tiên. Và cũng chính ở Birmingham những chiếc
xe ô tô bốn bánh chạy bằng dầu được chế tạo lần đầu năm 1895 bởi Frederick
William Lanchester. Lanchester cũng được cấp bằng phát minh ra phanh đĩa tại
thành phố này. Các phương tiện chạy điện được một số nhỏ những công ty chế tạo.

1.1.2. Ôtô sử dụng động cơ điện
Mối đe dọa lớn nhất với xe hơi là sự cạn kiệt nguồn cung dầu mỏ, điều này
không làm ngừng hoàn toàn việc xử dụng xe hơi nhưng khiến nó trở nên rất đắt đỏ.
Bắt đầu từ năm 2006, 1 lít xăng có giá xấp xỉ 1,60 USD tại Đức và các nước Châu
Âu khác. Nếu không có biện pháp tìm ra loại nhiên liệu rẻ hơn trong tương lai gần,
xe hơi cá nhân có thể sẽ giảm sút lớn về số lượng. Tuy nhiên, sự di chuyển của cá
nhân rất quan trọng trong xã hội hiện đại, vì vậy nhu cầu với ôtô khó giảm sút
nhanh chóng. Các phương tiện di chuyển cá nhân thay thế như Personal rapid
transit, có thể biến xe hơi thành phương tiện lỗi thời nếu nó chứng minh được về
tính hữu dụng cũng như có giá thành thấp.
Xe hơi hybrid, chạy bằng pin nhiên liệu và động cơ điện, hoặc được tích hợp cả
một động cơ đốt trong truyền thống, được cho là phương tiện thay thế xe hơi dùng
nhiên liệu hóa thạch trong vài thập kỷ tới. Vật cản lớn nhất cho việc sản xuất xe hơi
chạy hydro là giá thành sản xuất ra loại nhiên liệu này bằng quy trình điện phân, nó

có hiệu quả thấp và đòi hỏi tiêu tốn khá nhiều điện, vốn cũng là một nguồn nhiên
liệu đắt đỏ. Tuy nhiên, hydro tạo ra năng lượng gấp 5 lần so với loại xăng 93, không
thải khí CO2 và hứa hẹn sẽ có giá thành thấp khi sản xuất hàng loạt. Các kỹ sư của
BMW đã công bố về việc lắp đặt động cơ nhiên liệu hydro hiệu suất cao trên những
chiếc series 7 của họ.
Xe chạy điện cũng là một ý tưởng về loại xe dùng nhiên liệu thay thế; động cơ
điện có hiệu năng cao hơn động cơ đốt trong và có tỷ lệ công suất trên trọng lượng

7


Chương 1. Tổng quan về ôtô điện

lớn. Chúng cũng hoạt động hiệu quả hơn và tạo ra mômen xoắn lớn hơn khi đang
đỗ, vì thế rất thích hợp để dùng cho ôtô. Ngoài ra không cần tới một hệ thống truyền
lực phức tạp. Tuy nhiên, ôtô điện lại bị những trở ngại do kỹ thuật pin điện - còn rất
lâu pin nhiên liệu mới có nguồn năng lượng tương đương với một bình nhiên liệu
lỏng cho những chặng đường xa, và cũng không hề có cơ sở hạ tầng cung cấp nhiên
liệu cho chúng. Một phương án khác khả dĩ hơn có thể là sử dụng một động cơ đốt
trong nhỏ để phát điện - phương án này có thể có hiệu năng cao hơn bởi vì động cơ
đốt trong luôn chạy ở một vận tốc, sử dụng nhiên liệu rẻ hơn như dầu diesel và giảm
được trọng lượng, hệ thống truyền động phức tạp của các xe hơi kiểu cũ. Phương án
này đã chứng minh hữu ích trên đầu tàu hoả nhưng vẫn còn một chặng đường dài để
có thể áp dụng cho ôtô.
Những nghiên cứu về ôtô và các động cơ sử dụng cho ôtô cho thấy: ưu điểm nổi
bật nhất của động cơ điện so với động cơ đốt trong chính là khả năng sinh ra
momen một cách chính xác và nhanh chóng. Việc điều khiển momen trong động cơ
điện cũng được thực hiện một cách đơn giản và hiệu quả. Tuy nhiên, khi những ứng
dụng về ôtô điện ngày một phát triển thì người ta vẫn chưa tận dụng hết ưu điểm nổi
trội này của động cơ điện. Đã có những chiếc xe đã được thiết kế theo mô hình ôtô

điện với nhiều tính năng cần thiết và cũng đã được sử dụng trong thực tế, tuy nhiên
chúng cũng chưa tận dụng hết những ưu điểm của động cơ điện. Ngoài đặc tính sinh
momen nhanh chóng và điều khiển một cách dễ dàng, sử dụng động cơ điện cho ôtô
còn mở ra nhiều khả năng điều khiển khác. Tính chất bám dính giữa các lốp xe với
bề mặt đường bị ảnh hưởng rất lớn bởi việc điều khiển động cơ kéo. Như vậy có
nghĩa là sự an toàn và tính chất ổn định của xe sẽ được cải thiện đáng kể thông qua
việc điều khiển động cơ kéo. Nếu như chúng ta sử dụng các lốp xe chuyên dụng có
lực cản thấp với tổn thất năng lượng ít thì thời gian phải nạp cho ắc quy sẽ là rất lâu.
Và đó là mục đích kỹ thuật mà những nghiên cứu khoa học gần đây về ôtô điện
đang hướng đến.
1.1.2.1.

Cấu trúc của ôtô điện

8


Chương 1. Tổng quan về ôtô điện

Cấu trúc của ôtô điện có những phần giống và khác so với ôtô chạy bằng động
cơ đốt trong thông thường. Hình 1.3b) là sơ đồ cấu trúc của một chiếc ôtô điện
thông thường. Đại đa số các ôtô điện đều được sản xuất dựa trên nguyên lý chung
này. Ngoài sự khác biệt về động cơ sử dụng, hai loại ôtô này còn có những điểm
khác nhau cơ bản như về nguồn năng lượng cấp, về hệ thống điều khiển, hệ thống
khởi động… Dưới đây, chúng ta sẽ chia ôtô điện thành hai phần: phần điện và phần
cơ.

a) Ôtô điện Eliica với vận tốc tối đa
b) Cấu trúc của một chiếc ôtô điện thông
370 km/h và quãng đường 200 km/1

thường
lần xạc ắcquy
Hình 1.3. Cấu trúc của ôtô điện
Phần điện của ôtô bao gồm:
+ Động cơ: Động cơ mà ô tô sử dụng là động cơ điện, động cơ này sẽ nhận
năng lượng từ một nguồn cố định, nguồn này sẽ thông qua bộ biến đổi để biến năng
lượng đó sao cho phù hợp với các yêu cầu về thay đổi tốc độ của động cơ.
+ Hệ thống cung cấp điện: ắc quy, nguồn điện, bộ điều chỉnh
+ Hệ thống đánh lửa: cuộn đánh lửa, bộ chia điện, bugi…
+ Hệ thống khởi động: ắc quy, máy khởi động, rơ le, công tắc tơ…
+ Hệ thống các thiết bị theo dõi: các loại đồng hồ đo, cảm biến…
+ Hệ thống chiếu sáng và tín hiệu
+ Một số thiết bị phụ khác

9


Chương 1. Tổng quan về ôtô điện

Phần cơ của ôtô (hệ thống truyền lực): Có nhiệm vụ truyền mômen xoắn từ động
cơ đến bánh xe chủ động của ô tô. Hệ thống này cho phép thay đổi tỷ số truyền giữa
động cơ và bánh xe chủ động tùy theo điều kiện chuyển động trong khi vẫn giữ
nguyên chế độ làm việc của động cơ. Ngoài ra, hệ thống này còn dùng để khởi động
động cơ một cách êm dịu, ngẳt truyền động giữa động cơ và bánh xe.
+ Bộ ly hợp: Dùng để nối động cơ với hệ thống truyền lực một cách êm dịu và
tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực một cách nhanh chóng và dứt khoát. Trong
quá trình sử dụng, bộ ly hợp được tách ra khi sang số hoặc khi phanh ôtô để việc
sang số được dễ dàng và tránh bị va đập. Ngoài ra, bộ ly hợp còn được dùng là cơ
cấu an toàn giữ cho các chi tiết của hệ thống truyền lực khỏi bị quá tải.
+ Hộp số: Để ôtô có thể làm việc được trong những điều kiện rất khác nhau về

đường xá, trọng tải và tốc độ. Để thích ứng với những điều kiện đó, cần phải thay
đổi lực kéo cùng tốc độ của ôtô trong một khoảng khá rộng để đảm bảo được chế độ
làm việc kinh tế của động cơ. Hộp số dùng để thay đổi lực kéo tức là thay đổi tốc độ
của ôtô. Ngoài ra, nó còn được dùng để thay đổi hướng chuyển động như chế độ
chạy tiến hay chạy lùi.
+ Các đăng: Trục các đăng dùng để truyền lực từ trục thứ cấp của hộp số đến
trục chủ động của truyền lực chính của cầu sau ôtô.
+ Hệ thống phanh hãm: Thực hiện chức năng phanh, dừng xe khi cần thiết.
1.1.2.2.

Nguyên lý hoạt động của ôtô điện

Khi động cơ quay, công suất của động cơ được truyền đến bánh xe chủ động của ô
tô thông qua hệ thống truyền lực. Khi truyền như vậy, công suất bị tổn hao do ma
sát trong hệ thống truyền lực và công suất ở bánh xe chủ động sẽ nhỏ hơn công suất
do động cơ phát ra. Công suất ở bánh xe chủ động được thể hiện qua hai thông số là
mômen xoắn và vòng quay của bánh xe chủ động. Nhờ có mômen xoắn truyền tới
bánh xe chủ động và nhờ có sự tiếp xúc giữa bánh xe chủ động với mặt đường nên
tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường sẽ phát sinh ra lực kéo tiếp
tuyến hướng theo chiều chuyển động. Lực kéo tiếp tuyến chính là lực mà mặt
đường tác dụng lên bánh xe. Để cho ôtô có thể chuyển động được thì ở vùng tiếp

10


Chương 1. Tổng quan về ôtô điện

xúc giữa bánh xe và mặt đường phải có độ bám đường nhất định đặc trưng bằng hệ
số bám. Nếu độ bám thấp thì bánh xe có thể bị trượt hoặc quay khi có mômen xoắn
lớn truyền động từ động cơ đến bánh xe chủ động và lúc đó ô tô không thể tiến lên

phía trước được. Hệ số bám giữa bánh xe chủ động và mặt đường là tỷ số giữa lực
kéo tiếp tuyến cực đại sinh ra tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt
đường trên tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe chủ động. Tải trọng này
thường được gọi là tải trọng bám Gf và hệ số bám được tính theo công thức (1.1).

f =

Pk max
Gf

(1.1)

Lực kéo tiếp tuyến cực đại phát sinh theo điều kiện bám giữa bánh xe chủ động và
mặt đường:

Pk max = f .G f

(1.2)

Nếu gọi Z là phản lực thẳng góc từ mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động thì:

Z = Gf

(1.3)

Lực bám Pf xác định theo công thức (1.4):

Pf = f .Z

(1.4)

Để cho bánh xe chủ động không bị trượt hoặc quay tại chỗ khi ôtô chuyển động thì
lực kéo tiếp tuyến cực đại phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám Pf, nghĩa là phải thỏa
mãn điều kiện (1.5).

Pk max ≤ Pf

(1.5)

1.1.3. Ưu điểm và lợi ích của ôtô điện
Các loại ôtô chạy bằng động cơ đốt trong sử dụng các nhiên liệu chất đốt như xăng,
dầu...đã xuất hiện từ rất lâu và đã trở thành loại phương tiện giao thông không thể
thiếu. Tuy nhiên, như đã đề cập đến trong phần trước, khi vấn đề năng lượng và ô
nhiễm môi trường ngày càng trở nên bức thiết thì ôtô chạy bằng động cơ đốt trong
tỏ ra không phù hợp nữa. Cùng với những nhược điểm trong vấn đề truyền động,
động cơ đốt trong đang dần được thay thế bởi động cơ điện. Ôtô điện ra đời với các
tính năng ưu việt của nó chính là tương lai của ngành công nghiệp ôtô trên thế giới.

11


Chương 1. Tổng quan về ôtô điện

Ở đây, chúng ta sẽ phân tích những ưu điểm nổi bật nhất của ôtô điện về chi phí,
đáp ứng hệ thống và thiết kế điều khiển.
Chi phí – Để ứng dụng các kỹ thuật điều khiển lực kéo ở trên thì các ôtô chạy bằng
động cơ đốt trong đều cần thêm phần cứng rất đắt tiền, ví dụ, các bộ dẫn động
phanh và bộ điều chỉnh. Nhưng ôtô điện không cần thêm bất cứ một phụ kiện nào
nữa. Điều khiển lực kéo có thể đạt được chỉ hoàn toàn bằng phần mềm. Thậm chí,
một chiếc ôtô điện với chi phí rẻ nhất nhưng có thể điều khiển lực kéo với tính năng

cao. Vì vậy, chi phí cho những chiếc ôtô điện là thấp hơn nhiều so với các ôtô chạy
bằng động cơ đốt trong.
Đáp ứng của hệ thống – Trong các ôtô sử dụng động cơ đốt trong, chúng ta phải mất
hơn 200 ms để khởi động van cấp nhiên liệu không khí, nhưng trong thực tế độ
nhạy còn chậm hơn nhiều bởi vì chúng ta phải tính đến cả độ trễ của hệ thống cơ
khí. Ngược lại, thời gian đáp ứng của momen động cơ điện thì nhỏ hơn rất nhiều
lần, cỡ khoảng 10 ms. Thời gian đáp ứng nhanh như vậy làm cho độ an toàn của xe
được nâng lên và rất nhiều tính năng của xe được cải thiện: khả năng khởi động
nhanh, tăng tốc nhanh…
Thiết kế bộ điều khiển - Trong các ôtô sử dụng động cơ đốt trong, sự phi tuyến lớn
nằm trong các đặc tính chuyển hóa từ tín hiệu điều khiển đầu vào (ví dụ: góc van
không khí của động cơ, áp suất dầu của hệ thống phanh…) cho tới các momen khởi
động là một trở ngại lớn cho việc thiết kế mô hình toán học cho bộ điều khiển.
Trong các ôtô điện, bằng việc áp dụng điều khiển dòng điện đơn giản, momen khởi
động tỷ lệ hoàn toàn dòng điện đặt.

1.2. Các loại động cơ dùng cho ôtô điện
Động cơ chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ và ngược lại,
chính là sức kéo trong các hệ truyền động. Các hệ thống truyền động đã được áp
dụng cho nhiều hệ thống như: máy bơm, quạt gió, các máy cuốn giấy và máy dệt,
các máy nâng hạ, động cơ servo và robot, các máy cán thép và các máy quay nghiền
xi măng, đặc biệt, ngày nay còn được ứng dụng rộng rãi trong ôtô điện,… Mỗi động
cơ là một cấu trúc điện, cơ và nhiệt phức tạp. Mặc dù máy điện đã được biết đến từ

12


Chương 1. Tổng quan về ôtô điện

hơn một trăm năm trước đây nhưng những nghiên cứu và phát triển về lĩnh vực này

dường như là bất tận. Tuy nhiên, tốc độ phát triển của các loại máy điện là thấp hơn
trong sự tương quan với các thiết bị bán dẫn và các bộ biến đổi công suất. Để thiết
kế kỹ thuật cho một hệ thống truyền động có tính năng cao thì yêu cầu là phải đáp
ứng được các chỉ tiêu về máy điện, mô hình động lực học và sự biến thiên về thông
số. Nói chung, với những hệ truyền động dùng trong công nghiệp, chúng ta thường
phân loại thành truyền động có tốc độ không đổi và truyền động có tốc độ biến đổi.
Các loại máy điện xoay chiều với nguồn cấp hình sin tần số không đổi thường được
dùng trong các hệ truyền động có tốc độ hằng, ngược lại, các động cơ một chiều hay
được sử dụng hơn trong các hệ truyền động có tốc độ biến đổi. Trong giới hạn luận
văn này, tác giả đề cập đến hai loại động cơ quen thuộc được ứng dụng rộng rãi
trong ôtô điện là động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều.

1.2.1. Đánh giá chung về động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động
cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công
nghiệp. Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt
động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện
một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu
thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng.
Một phần quan trọng của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có
nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong cuộn rotor trong khi chuyển động quay của
rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này là bộ phận gồm có một bộ cổ góp và
một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp. Đây cũng chính là nhược điểm chính của
động cơ điện một chiều: cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, kém tin cậy và
nguy hiểm trong môi trường dễ nổ, khi sử dụng phải có nguồn điện một chiều kèm
theo hoặc bộ chỉnh lưu.
Tuy nhiên, cho đến nay, động cơ điện một chiều vẫn được dùng khá phổ biến trong
các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều
từ vài W đến hàng MW. Các loại động cơ điện một chiều đã được biết đến bao

13


Chương 1. Tổng quan về ôtô điện

gồm: động cơ một chiều kích từ độc lập, động cơ điện một chiều kích từ song song
và động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song có các đặc điểm sau:
-

Động cơ loại này thường sử dụng rất nhiều kim loại màu để chế tạo, vì vậy nên

giá thành của động cơ tương đối cao.
-

Do có cơ cấu tiếp xúc chổi than, vành góp nên tuổi thọ của động cơ không được

cao do sự mài mòn, đồng thời động cơ loại này rất khó bảo trì, bảo dưỡng và hay
gây nhiễu cho các thiết bị điện tử.
-

Động cơ một chiều kích từ độc lập có ưu điểm lớn trong việc điều chỉnh tốc độ

động cơ: việc điều chỉnh tốc độ động cơ rất dễ dàng, cấu trúc mạch lực và mạch
điều khiển đơn giản, đạt chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh tốc độ rộng.
-

Cho phép điều chỉnh sâu tốc độ, momen động cơ lớn, thay đổi và điều chỉnh tốc

độ dễ dàng.

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có đặc điểm:
-

Giả thiết động cơ chạy ở chế độ không tải thì tốc độ động cơ sẽ rất lớn. Nhưng

trong thực tế, động cơ thường có ma sát, có tổn thất phụ và có từ dư nên khi không
tải động cơ vẫn có giá trị ω0 t. Tuy nhiên, do từ dư nhỏ nên ω0 t vẫn rất lớn từ (5-6)
lần ωđm , vì vậy, không được để động cơ hoạt động ở chế độ không tải.
-

Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp mềm và độ cứng thay

đổi theo phụ tải, không ổn định cao được tốc độ.
-

Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen, có khả

năng khởi động tốt hơn động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Loại động cơ này
có khả năng thích hợp với truyền động làm việc thường có quá tải lớn và yêu cầu về
mômen khởi động cao.
Như vậy, nhược điểm lớn của động cơ một chiều tập trung ở các vấn đề như: giá
thành cao, quán tính lớn và các vấn đề về bảo trì với cơ cấu chổi than, vành góp.
Không những thế, các cơ cấu chổi than và vành góp sẽ giới hạn tốc độ máy điện và
biên độ dòng điện, gây ra các vấn đề về nhiễu điện từ, không cho phép động cơ hoạt
động trong môi trường bụi bẩn và dễ cháy nổ. Tuy nhiên, các bộ điều khiển và bộ

14


Chương 1. Tổng quan về ôtô điện

biến đổi truyền động của động cơ một chiều thường đơn giản và momen sinh ra là
rất nhanh. Các động cơ xoay chiều (ví dụ: động cơ không đồng bộ roto lồng sóc)
không gặp phải các bất lợi của động cơ một chiều như đã đề cập đến ở trên. Trong
hai đến ba thập kỷ gần đây, chúng ta đã thu được các kết quả nghiên cứu và phát
triển ngày càng mở rộng về công nghệ truyền động của máy điện xoay chiều với tần
số và tốc độ thay đổi. Mặc dù những ứng dụng chính cho truyền động tốc độ thay
đổi sử dụng động cơ một chiều nhưng gần đây chúng đã dần được thay thế bởi động
cơ xoay chiều. Các động cơ xoay chiều đang ngày được sử dụng rộng rãi, phổ thông
hơn.

1.2.2. Đánh giá chung về động cơ điện xoay chiều không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ có cấu tạo rất đơn giản, đặc biệt là động cơ roto lồng
sóc. Chúng ta có thể phân loại động cơ không đồng bộ thành:
-

Động cơ không đồng bộ roto dây quấn: động cơ này có dây quấn roto tương

tự như stato.
-

Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc: roto có cấu trúc giống một cái lồng

với các vòng ngắn mạch ở hai đầu. Về cơ bản, ta có thể coi loại máy điện này như
một máy biến áp ba pha với phần thứ cấp quay và được ngắn mạch. Lõi của stato và
roto đều được làm từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại.
Một trong những nguyên lý cơ bản nhất của động cơ điện không đồng bộ là sự sinh
ra từ trường quay hình sin trong khe hở không khí. Bỏ qua ảnh hưởng của các rãnh
quấn dây và và các sóng hài bậc cao do sự phân bố dây không đều, có thể thấy rằng
với một nguồn cấp ba pha đối xứng hình sin cho ba dây quấn stato sẽ sinh ra một từ

trường quay đồng bộ.
Nhận xét động cơ không đồng bộ:
-

Động cơ không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế. Ưu điểm nổi

bật của loại động cơ này là cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ roto lồng sóc. So
với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy,
chắc chắn.

15